竟然击败石墨烯！网红材料“MXene”，你下手了吗？

说起新型二维材料，你会想到哪些呢？该不会大概只知道石墨烯吧！那个著名的“胶带剥离石墨薄片的实验”，至今16年之久啦。

这期间各种新型二维材料相继问世，石墨炔(GDY)、MXene、黑磷(BP)等，逐渐赶超“老大哥”石墨烯，跃居材料界的热门前沿。其中，“MXene材料”发现于2011年，是继石墨烯之后最受关注的二维纳米材料之一，近年来发展迅速，已成为材料、能源、催化、环保、传感等诸多领域研究的“网红材料”，堪称成为材料领域的又一匹黑马。

MXene材料在各领域的应用

MXene是一类具有二维层状结构的金属碳化物或氮化物，2011年由德雷塞尔大学Yury Gogotsi教授课题组合成出来，由层状陶瓷材料MAX相刻蚀去除A元素后得到。

MXene制备示意图

MAX相的晶体结构由M_n+1X_n结构单元与A元素单原子面交替堆垛排列而成，经化学刻蚀将A从MAX相中移除得到类石墨烯的2D结构M_n+1X_nT_x(T_x为表面基团)。MXene材料表面有羟基或末端氧，它们有着过渡金属碳化物的金属导电性、亲水性表面，生物相容性，可见光和红外波段的光学吸收带，可逆表面氧化还原反应等能力。

通式M_n+1X_nT_x

 MXene和石墨烯结构示意图

• MXene与石墨烯在晶体结构上存在巨大的差异，因为石墨烯归属于碳单质一类，而MXene材料是众多过渡金属碳，氮，以及碳氮化合物的简称。

• 他们同为厚度在纳米级别的层状薄片，这一点也体现在MXene的命名上，-ene。

• 不同于石墨烯材料，MXene家族包含的MXene个体是极具多样性的。十几种可利用的过渡元素以及他们之间特定组合，以及其与C、N或C/N的配位以及表面官能团的调控极大地丰富了MXene的种类。

• 得益于高温可控的CVD制备工艺，石墨烯的晶化程度可控性和丰富性是远胜于MXene的。当前MXene材料的大规模制备仍依赖于传统的湿化学刻蚀工艺，导致材料中不可避免的各种晶体缺陷，比如点空位。

背景介绍：MXene基结构材料具有高机械强度和优异导电性，但是单一的MXene薄膜由于缺乏层间相互作用而具有机械脆性的缺点，这严重限制了其在结构材料领域中的应用。大分子聚合物的掺入有利于缓解MXene薄膜机械脆性的缺陷，但同时不可避免地在MXene片层间引入大量的绝缘相，这严重损害了复合膜的导电性。

近日，伦敦大学学院何冠杰博士和华南理工大学王小慧教授^[1]合作在ACS Nano上发表了仿生MXene-半纤维素复合膜及多功能电极应用的研究。作者受木材启发，将短链半纤维素（低聚木糖）作为分子粘合剂引入到MXene纳米片间。这种小分子半纤维素在显著提高机械性能的同时而不引入大量绝缘相。因此，MXene-半纤维素复合薄膜可以同时兼具高导电性（64,300S m^-1）和高机械强度（125MPa），进而探究了复合膜可作为结构电极在超级电容器和湿度传感器中的应用。

背景介绍：丝网印刷技术具有成本效益、高通量和环境友好等优点，在集成电路和功能器件等方面显示出巨大的潜力，而挑战在于多功能油墨的开发。MXene具有独特的电化学、力学、光学和机械性能，因此，开发多功能MXene油墨实现兼容集成充满前景。

中国科学院大连化物所吴忠帅^[2]开发的多功能水性可印刷MXene油墨可同时作为高电容电极、灵敏的压力传感材料、高导电集流体、无金属连接线和导电粘合剂。通过直接丝网印刷MXene油墨，可以在各种基材上精细地制造基于MXene的微型超级电容器（MSC）和锂离子微型电池（LIMB）。所制备的MSC具有1.1Fcm^-2的超高面积电容，100个串联的无金属集流体和连接线的MSC可以输出高达60V的电压。准固态LIMB提供了154μWh cm^-2的强大面积能量密度。此外，通过串联太阳能电池，LIMB和MXene水凝胶压力传感器的无缝集成，展示了基于多任务MXene墨水在单一基材上的全柔性自供电集成系统。值得注意的是，该集成系统对人体运动异常敏感，具有35毫秒的快速响应时间。因此，这种多用途MXene墨水为推动未来的智能电器开辟了一条新途径。

背景介绍：半导体金属氧化物如TiO₂、ZnO、Nb₂O₅等因其具有较高的光催化活性和优良的化学稳定性而被广泛应用于利用太阳能分解水生产可再生氢领域。然而，半导体氧化物光催化剂上光生载流子的复合严重限制了太阳能制氢的效率。因此合理设计光催化剂，促进光生载流子的空间分离非常必要。

华南理工大学余皓^[3]开发的一维Nb₂O₅纳米棒阵列是通过一种便捷的水热方法首次在二维Nb₂CTx MXenes上原位生长的。然后将Ag纳米颗粒光沉积在Nb₂O₅纳米棒上以形成分层的0D/1D/2D纳米杂化物。由于其独特的结构，高活性的Nb₂O₅纳米棒能够高效地通过光能产生电子-空穴对，而Nb₂CTx低工作功能的-OH端则能够捕获空穴，Ag纳米颗粒充当电子存储库和析氢反应(HER)位点，在铌基三元光催化剂中达到了创纪录的HER活性。

研究背景：消费电子、人工智能和临床医学的快速发展催生了对柔性压力传感器的日益增长的需求。高导电性和柔韧性的敏感材料是压力传感器的核心成分。MXene是一种新型的2D纳米材料，具有良好的导电性、柔韧性，且通过制备方法可较便捷地调控MXene的表面终止基团和微观结构，使其可以方便的获得独特的微纳结构及性能，在柔性压力传感器中具有广阔的应用前景。

     华南理工大学制浆造纸工程国家重点实验室王小英教授^[4]团队，对MXene在柔性压力传感器领域的研究进展进行了阐述和总结。压力传感材料所呈现的形态大致可分为以下四种：织物（复合纤维）、薄膜（复合涂层）、气凝胶（海绵，泡沫）、水凝胶。制造压力传感器的常用方法是通过旋转、浸涂和沉积将MXenes直接加载到柔性基板上。具有良好延展性的基板可提高传感器的柔韧性，MXene可增加压力传感器的介电常数和相对电阻。因此，可以同时提高复合压力传感器的灵敏度、检测范围和再现性，反映出此材料在下一代医疗监测设备和人造皮肤中的巨大应用潜力。此外，MXene纳米片可以互连以形成致密的导电路径，这赋予了传感器优异的机械性能，例如在0−180°的弯曲角度范围内正常工作。此外，该方法甚至可以形成具有良好再现性和高灵敏度的双功能压力和湿度传感器。

总的来说，得益于丰富的表面/本体化学赋予MXenes优越的性能，MXenes已被广泛研究用于电池、超级电容器和许多能量收集和转换设备的所有器件。乐研提供MXene前驱体材料碳化钛铝Ti₃AlC₂，助力加速未来世界的完全电气化发展。