MXene是一類具有二維層狀結構的無機化合物，其化學通式為Mn+1XnTx，其中n=1~3，M代表早期過渡金屬，如Ti、Zr、V、Mo等；X代表C或N元素；Tx為官能團，通常為-OH、-O、-F和-Cl。其最早是在2011年由美國德雷塞爾大學的Yury Gogotsi教授和Michel Barsoum教授共同發(fā)現(xiàn)的，由于其具有類似石墨烯（graphene）的二維層狀結構，于是被命名為MXene。近年來，此類材料憑借其獨特的物理化學性質在電池、超級電容器、催化、光電器件、凈水、生物醫(yī)藥、氣體傳感器等多個領域受到廣泛關注，在學術界更是成為了各類頂刊的?？?。就在這個月，MXene更是一發(fā)不可收拾，接連登上《Science》。下面就來看看明星材料MXene又掀起了什么新熱點。
七月初，美國芝加哥大學Dmitri V.?Talapin等報道了通過對MXene進行表面修飾，從而調控出了Nb2C型MXene的超導性質，為這種材料的設計和應用打開了新的大門。該研究以題為“Covalent surface modifications and superconductivity of two-dimensional metal carbide MXenes”的論文發(fā)表在《Science》上。緊接著在七月下旬，該材料的發(fā)現(xiàn)者美國德雷塞爾大學的Yury?Gogotsi教授團隊報道了一種新的碳氮化MXene，它具有異常高的電磁屏蔽能力，可以吸收電磁干擾，而不僅僅是使其反射。該研究發(fā)現(xiàn)了離散的二維材料與電磁輻射之間的相互作用不同于金屬。這一發(fā)現(xiàn)打破了電磁屏蔽領域存在難題，不僅報道了一種新型的屏蔽材料，還揭示了一種新的物理學現(xiàn)象。該研究以題為“Anomalous absorption of electromagnetic waves by 2D transition metal carbonitride Ti3CNTx?(MXene)”的論文同樣發(fā)表在了《Science》上，這是MXene在一個月內又一次登上《Science》。
【MXene的超導性】
MXene通常由相應的MAX相合成（圖1a），其中X代表C或N（通過選擇性蝕刻）。蝕刻通常在HF水溶液中進行，從而使MXene終止于F、O和OH等官能團。與其他2D材料的表面不同，這些官能團可以進行化學修飾，而具有不同表面基團的MXene會具備不同的特性，例如可開關的帶隙、可調節(jié)的功函數(shù)、半金屬性和鐵磁性等等。因此，MXene表面的共價功能化有望為合理設計2D功能材料揭示新的方向。
在第一篇論文中，作者通過molten無機鹽在高于500℃的條件下將表面官能團進行消除和重修飾，實現(xiàn)了在MXene上修飾O、NH、S、Cl、Br、Se和Te端基。這些不同組分的MXene材料展現(xiàn)出了不同的結構和電子特性。作者發(fā)現(xiàn)對界面上官能團進行調控可以改變MXene晶格中相鄰原子的距離，如Tin+1Cn（n=1,2）端基修飾上Te2+后，產(chǎn)生了大于18%的界面晶格擴展。
此外，作者在Nb2C相應的材料中發(fā)現(xiàn)了低溫區(qū)超導的現(xiàn)象，Nb2CS2（Tc~6.4K），Nb2CSe2（Tc~4.5K），Nb2C（NH）（Tc~7.1K），但Nb2COx未顯示出超導性。作者認為表面修飾作用對晶格軸應力、聲子頻率、電子-聲子耦合強度的調控使得MXene材料出現(xiàn)了超導性質。
【Mxene異常高的電子屏蔽性】
嚴重的電磁干擾（EMI）往往會引起電子通訊設備數(shù)據(jù)丟失、系統(tǒng)故障等問題，甚至可能影響人體健康。因此，需要開發(fā)輕質、超薄和靈活的EMI屏蔽材料來保護電子電路和便攜式通訊設備，并消除設備與設備之間的干擾。Ti3C2Tx 型MXene及其復合材料具有出色的EMI屏蔽性能，展現(xiàn)出了在智能電子產(chǎn)品中的應用前景。這種屏蔽性能歸因于其豐富的表面端基以及該種膜的層壓結構。盡管多數(shù)研究已經(jīng)證明了MXene對電磁波的反射和吸收，但總體上它的屏蔽效果并未得到實質性改善。
在第二篇論文中，作者報道了導電性能一般的二維過渡金屬碳氮化物Ti3CNTx型MXene與更具導電性的Ti3C2Tx或相同厚度的金屬箔相比，具有高達3~5倍的電磁屏蔽效果。Ti3CNTx的這種出色的屏蔽性能是通過退火實現(xiàn)的，這歸因于其分層結構中異常高的電磁波吸收率，而不僅僅是對電磁波的反射。雖然當前理論還不能完全解釋這一現(xiàn)象，但這些結果為設計高級EMI屏蔽材料提供了指導，同時也強調了探索電磁波與2D材料相互作用背后的基本物理機制具有重要意義。
總結：當月的兩篇《Science》分別報道了Nb2C型MXene的超導性和Ti3CNTx型MXene的異常高的電磁屏蔽性能，掀起了MXene研究新的熱點。當前主流的研究集中在能源、電化學傳感器、電磁屏蔽等領域，此外還有光電器件、生物治療、海水淡化、MXene基濾膜等等。相信MXene的熱度會一直居高不下，它作為明星材料還有更多的秘密等著學者們去研究。但目前MXene前驅體MAX相材料的高價格和復雜工藝可能也是制約MXene研究進一步普及的原因之一。此外，MXene的化學穩(wěn)定性也飽受詬病。希望各個領域的研究人員能夠早日解決MXene大規(guī)模生產(chǎn)以及穩(wěn)定性的問題，從而將MXene推上另一個高峰！
原文鏈接：
https://science.sciencemag.org/content/early/2020/07/01/science.aba8311?rss=1
https://science.sciencemag.org/content/369/6502/446
