《Science》顶刊推荐！ 二维碳化物和氮化物 MXenes 的直接合成和化学气相沉积

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什么是MXenes？

MXenes是一类具有二维层状结构的金属碳化物和金属氮化物材料，是由MAX相处理得到的类石墨烯结构。MAX相的具体分子式为M n+1 AX n ( n = 1, 2 or 3)，其中M指的是前几族的过渡金属，A指的是主族元素（如Al、Si或Ga），X指的是C或N。MXenes的分子式为M n+1 X n T x ，其中T x 代表表面元素（如O、OH或F）。

MXenes具有许多优异的性能，例如高电导率、高比容量、高比表面积、可调节的带隙、可控制的表面官能团等，因此在储能、光电、生物医学、通信和环境等领域有着广泛的应用前景。

MXenes的传统合成方法有什么问题？

MXenes通常是通过蚀刻层状三元化合物（MAX相）来合成的。这种方法需要使用含氢氟酸溶液或路易斯酸熔盐选择性地蚀刻出A层元素，然后通过插层剂将MXene片层分离。这种方法不仅会产生大量的废液和废气，而且会限制MXenes的种类和规模。

首先，不是所有的MAX相都能被有效地蚀刻，例如含有Nb或Mo等高价过渡金属的MAX相。其次，蚀刻过程中会引入不同类型和数量的表面官能团，导致MXenes的性能不稳定和不可重复。最后，蚀刻方法难以实现大规模生产，因为它需要大量的溶剂和能源，并且会造成环境污染。

MXenes有没有更好的合成方法？

美国芝加哥大学Dmitri V. Talapin教授课题组在最新一期《Science》杂志上发表了一篇关于MXenes直接合成和化学气相沉积的研究报告，展示了一种可扩展且经济地合成MXenes的新方法，通过金属和金属卤化物与石墨、甲烷或氮的反应，包括尚未从MAX相合成的化合物。

二维过渡金属碳化物和氮化物 (MXenes) 是为各种应用而积极研究的一大类材料，尤其是在储能领域。MXenes 通常是通过蚀刻层状三元化合物（称为 MAX 相）来合成的。我们通过金属和金属卤化物与石墨、甲烷或氮的反应，展示了一种可扩展且原子经济地合成 MXenes 的直接合成路线，包括尚未从 MAX 相合成的化合物。直接合成使 MXene 地毯的化学气相沉积生长和复杂的球晶状形态成为可能，这些形态通过 MXene 地毯的弯曲和释放形成，以暴露新鲜表面以进行进一步反应。 直接合成的 MXenes 显示出出色的锂离子嵌入储能能力。

这种方法有以下几个优点：

● 可以直接从金属原料合成MXenes，避免了蚀刻过程中产生的废液和废气；

● 可以控制反应条件和前驱体比例，实现不同组分和结构的MXenes；

● 可以通过化学气相沉积在不同基底上生长MXenes薄膜，实现大面积、均匀、连续的覆盖；

● 可以通过调节温度和气氛，实现MXenes的表面官能团的控制和调节；

● 可以通过金属卤化物的选择，实现新型含卤素的MXenes的合成，例如Ti2CCl2 。

【图文参考】

MXenes的直接合成和化学气相沉积有什么应用？

研究人员利用这种方法合成了多种MXenes，包括Ti 2 CCl 2 、Ti 3 C 2 Cl x 、Mo 2 TiC 2 T x 、Mo 2 Ti 2 C 3 T x 等，并对它们的结构和性能进行了表征。他们发现，直接合成的MXenes具有优异的锂离子嵌入储能能力，在0.1 A g-1下可实现286 mAh·g−1最大容量，略高于之前报道的MS-Ti 2 CCl x MXene优化后的性能。此外，他们还发现，直接合成的MXenes具有独特的形貌和结构，例如“地毯状”薄膜和球晶状形态，这些形态具有更容易接近的表面和暴露的催化活性边缘，为进一步的反应和应用提供了新的可能性。

这项研究为合成新的MXenes开辟了新的机会，特别是对于相应的MAX相不稳定或不存在的情况，并指出通过直接合成改进现有MXenes的可扩展性会促进它们在许多实际应用中的使用。

总结

MXenes是一类具有优异性能和广泛应用前景的二维材料，但传统的合成方法存在诸多问题。美国芝加哥大学Dmitri V. Talapin教授课题组在《科学》杂志上发表了一篇关于MXenes直接合成和化学气相沉积的研究报告，展示了一种可扩展且经济地合成MXenes的新方法，通过金属和金属卤化物与石墨、甲烷或氮的反应，包括尚未从MAX相合成的化合物。这种方法不仅可以避免蚀刻过程中产生的废液和废气，而且可以实现不同组分和结构的MXenes，并且可以通过化学气相沉积在不同基底上生长MXenes薄膜。直接合成的MXenes具有优异的锂离子嵌入储能能力，并且具有独特的形貌和结构，为进一步的反应和应用提供了新的可能性。这项研究为合成新的MXenes开辟了新的机会，并指出通过直接合成改进现有MXenes的可扩展性会促进它们在许多实际应用中的使用。

* 资料来源于：DOI: 10.1126/science.add9204