MXenes是一類二維過(guò)渡金屬碳/氮化物，化學(xué)通式可以由Mn+1XnTx表示。其中，M爲過(guò)渡金屬，X爲C或N，Tx表示最外層金屬表面(miàn)基團。自2011年首次報道(dào)之後(hòu)，MXenes領域在合成(chéng)、表征和應用等方面(miàn)得到廣泛研究。近日，中國(guó)科學(xué)院甯波材料技術與工程研究所先進(jìn)能(néng)源材料工程實驗室黃慶研究員應ACS Nano副主編、美國(guó)德雷賽爾大學(xué)教授Yury Gogotsi的邀請，聯合撰寫了社論（Editorial）文章“MXenes: Two-Dimensional Building Blocks for Future Materials and Devices”，對(duì)近年來MXene材料的研究亮點和發(fā)展趨勢進(jìn)行了評論。
社論文章系統總結了MXenes的發(fā)展曆程，指出了MXenes能(néng)夠從衆多二維材料中脫穎而出的原因：如優異的金屬導電性質（可達20000 S/cm）、較高的強度和剛度、規模化的合成(chéng)技術、較好(hǎo)的環境穩定性和生物相容性等。同時，MXenes與其它二維材料相比具有豐富的元素組成(chéng)和表面(miàn)化學(xué)行爲，在儲能(néng)、電催化、透明導體與加熱器、光子與光電設備、光熱治療、光催化、表面(miàn)增強拉曼光譜等領域具有應用前景。
社論文章重點指出了MXene材料的表面(miàn)化學(xué)多樣(yàng)性，并介紹了中科院甯波材料所團隊提出的路易斯酸熔鹽刻蝕技術及其對(duì)MXenes表面(miàn)基團的設計與調控的作用。理論和實驗研究均發(fā)現，MXenes的物理和化學(xué)性能(néng)與其化學(xué)組成(chéng)和表面(miàn)基團的構型有很大的關系。然而，受制于溶液法合成(chéng)的局限性，合成(chéng)具有相同表面(miàn)基團的MXenes一直是一大挑戰。路易斯酸熔鹽刻蝕技術能(néng)夠獲得表面(miàn)爲鹵素基團的MXenes材料（J. Am. Chem. Soc., 2019, 141, 4730-4737；Nat. Mater., 2020, 19, 894-899），并且通過(guò)熔鹽的選擇和陰離子取代技術可以獲得硫屬和胺根等常規酸刻蝕無法實現的基團。該方法一經(jīng)報道(dào)受便受到本領域諸多科研團隊的關注和廣泛采用，如這(zhè)些具有鹵素基團的MXenes作爲鋅離子電池負極材料展現出色的電化學(xué)性能(néng)（Energy Environ. Sci., 2021,14, 407-413），帶有硫屬基團的Nb2C首次發(fā)現具有超導性質（Science, 2020, 369, 979-983）。
社論文章展望和分析了未來10年（2021-2030年）MXenes研究面(miàn)臨的挑戰和機遇。該部分内容是2020年9月11-14日在中國(guó)浙江甯波召開(kāi)第三屆國(guó)際MXene會議期間，由黃慶研究員和Yury Gogotsi教授向(xiàng)全世界本領域知名科學(xué)家和600餘名參會者征集和凝練而成(chéng)，基本反映了本領域研究所關注的重點方向(xiàng)。其中包括：（1）發(fā)展環境友好(hǎo)的、安全、高效、規模化合成(chéng)方法；（2）利用二維MXenes作爲納米構成(chéng)要素發(fā)展具有取向(xiàng)的、複合的三維納米結構；（3）提高MXenes材料的化學(xué)和溫度穩定性；（4）電、光、磁、熱、熱電性能(néng)和量子局域效應；（5）表面(miàn)化學(xué)控制；（6）開(kāi)發(fā)大尺寸、大面(miàn)積單晶的MXenes薄膜；（7）開(kāi)發(fā)自組裝技術合成(chéng)取向(xiàng)、層間距可控的MXenes薄膜；（8）探索Ti3C2Tx外的其他MXenes；（9）開(kāi)發(fā)具有除了O、OH或鹵素等表面(miàn)基團外的其他MXenes材料和方法，并實現相互轉換；（10）探知MXenes納米片間局域離子和分子的遷移和鍵合對(duì)MXenes性能(néng)和應用的影響；（11）探知MXenes在水系和非水系電解質儲能(néng)器件中的儲能(néng)機制；（12）利用MXenes提高陶瓷、金屬、高分子基複合材料的力學(xué)性能(néng)；（13）缺陷對(duì)性能(néng)的控制；（14）開(kāi)發(fā)表面(miàn)基團控制的物理性能(néng)（比如超導）；（15）探知不同過(guò)渡金屬和表面(miàn)基團的MXenes對(duì)健康和環境的安全性或毒性；（16）利用MXenes作爲前驅體合成(chéng)其他材料；（17）爲非Ti3C2Tx的MXenes開(kāi)發(fā)無有機插層劑的剝離方法，以提高電導率和其他性能(néng)；（18）利用非Al的MAX相合成(chéng)MXenes；（19）利用化學(xué)氣相沉積或者物理氣相沉積在真空環境合成(chéng)無表面(miàn)基團的MXenes；（20）探知MXenes薄膜層間的電荷轉移機制和控制方法等共計32個挑戰。
ACS Nano期刊在發(fā)表社論文章的同期也編輯出版了首個MXene虛拟期刊（pubs.acs.org/page/ancac3/vi/mxenes?ref=vi_collection）。該虛拟期刊優選了49篇從2012年以來圍繞“能(néng)源存儲”“傳感與器件”“催化”“電磁波幹擾”“生物與複合材料”和“合成(chéng)、工藝和結構”等領域MXene研究的重要進(jìn)展工作。
以上工作發(fā)表于ACS Nano（2021, 15, 5775-5780），黃慶研究員得到了中科院對(duì)外合作重點項目、浙江省領軍型創新創業團隊、甯波市頂尖人才團隊等經(jīng)費支持。
MXene材料的組成(chéng)元素在元素周期表中的分布及其主要四種(zhǒng)晶體結構
（a）路易斯酸熔鹽刻蝕法合成(chéng)MXene材料示意圖，（b）掃描透射電子顯微技術揭示MXene材料具有氯表面(miàn)基團
（先進(jìn)能(néng)源材料工程實驗室 供稿）
