二维碳化物和氮化物 (MXenes) 的世界

时间:2022-10-07 04:02:17 作者:新利18网页版 来源:新利18登陆


  由于这些受限结构中出现的不寻常特性,二维(2D)材料引起了人们的兴趣。越来越多的二维金属碳化物和氮化物家族被称为MXenes,它们包含奇数层,其中金属(M)夹着碳或氮(X)层。VahidMohammadi等人。回顾了合成这个不断增长的材料库的进展。可以使用混合金属组合以及一系列表面终端,从而可以调整属性。然而,在改进合成方法和开发可放大的技术方面仍然存在挑战。

  对二维(2D)材料的合成不一定需要范德华键合层状前体这一事实的认识导致发现了许多新材料,包括MXenes-过渡金属的二维碳化物和氮化物,通过选择性蚀刻强键合的层状固体。Ti3C2于2011年首次被报道,为从其MAX相前体合成Ti2C、Ta4C3和其他MXene奠定了基础,展示了三种可能的结构(M2X、M3X2和M4X3)。后来生产了M5C4,进一步增加了结构多样性,使理论上可能的成分数量增加到100多种,包括那些具有平面内和平面外排列的金属原子。考虑到MXenes的各种表面终止,不同成分的数量增加了另一个数量级。MXenes形成碳氮化物和固溶体的能力表明可能存在无限数量的成分,并开启了计算驱动的2D材料原子设计的新时代。

  MXenes为二维材料家族添加了大量构建块,主要是金属导体,其中大部分是电介质、半导体或半金属。通过使用MXenes的可调特性,人们可以使用增材制造或其他涂层和加工技术,从2D纳米片构建从晶体管到超级电容器、电池、天线和传感器的设备。MXenes已经表现出多种电子、光学、化学和机械性能,并提出了MXetronics(全MXene光电子学)的概念。高电子导电性使其可用于集电器、互连件和导电油墨。MXenes具有电化学和化学可调的等离子体特性,带间跃迁和等离子体共振峰覆盖整个紫外、可见光和近红外范围,这使得它们的电致变色和光热治疗应用成为可能。它们与从太赫兹到千兆赫兹频率的电磁波的强相互作用用于电磁干扰屏蔽和通信。MXene表面过渡金属原子的氧化还原活性使电池和超级电容器中的电化学能量存储以及电催化成为可能。二维片材之间的受控间距用于气体分离、水净化和透析。MXenes的表面电荷允许在没有表面活性剂或粘合剂的情况下进行水性处理以及形成液晶。有机分子、聚合物和离子可以插入MXene层之间,从而实现性能调整和多层组装。由丰富的元素构成的无毒环保的钛基MXenes及其与聚合物、陶瓷和金属的混合物和复合材料特别引起了人们的广泛关注。

  虽然碳化物MXenes的制备取得了进展,但氮化物的合成却落后了。使用当前的微制造设备技术将MXene集成到芯片上需要气相合成。大规模、环保的合成方法是MXenes在未来增材制造技术中广泛使用的关键。对结构和表面化学的精确控制,包括缺陷和应变工程,应该为理论上预测本征半导体、拓扑绝缘和铁磁MXene以及MXene物理和化学中的其他发现铺平道路。机械强度高、环境稳定且导电性高的MXene可能对柔性、可印刷和可穿戴的自供电电子产品产生重大影响。然而,将MXenes与其他2D材料结合使用,通过溶液中的自组装来构建异质结构和器件可能是最令人兴奋的前景。

  ()或氮层(X原子)占据相邻过渡金属层之间的八面置。MXenes是通过自上而下的合成方法生产的,其中通常从MAX相的结构中选择性地去除A层原子(例如,Al、Si、Ga),这是一组层状六方结构的三元碳化物和氮化物,留下在松散堆叠的MX层后面[称为“MXene”以强调它们的2D性质],可以进一步分离成单层薄片(图1)。

  ()或氮,TX代表外金属层的表面终端。公式中的n值可以在1到4之间变化,这取决于过渡金属层(和碳和()3Y1()3CTX)的数量;和面外有序结构(o-MXenes),其中一层M过渡金属夹在两层M过渡金属(例如MO2TiC2TX)之间或两层M过渡金属夹在中间在两层M过渡金属(例如,MO2Ti2C3TX)之间。其他布置,例如夹在M5X4结构中的M层(底行)之间的一层或三层M也是可能的。图底部的褪色图像代表预测结构,例如尚未经过实验验证的高熵MXenes和高阶单M或o-MXenes。

  Ti3C2TX是通过在氢氟(HF)酸中选择性蚀刻Ti3AlC2 MAX相前体的单原子Al层制成的。Ti3C2TX和其他MXene所展示的高金属导电性、亲水性以及嵌入阳离子和存储电荷的能力,最初引起了人们对探索MXene用于储能应用的兴趣。2017年是MXenes“淘金热”的开始。从那时起,二维碳化物和氮化物的世界以前所未有的速度增长。目前有超过30种不同的实验制造的化学计量MXenes和一百多种(不考虑表面终止)理论上预测的具有不同电子、物理和(电)化学性质的MXenes。此外,M和X侧的固溶体是可能的,并且具有多个单一(O、Cl、F、S等)或混合(O()F)表面终止的可能性使MXenes成为一个庞大而多样的家族二维材料。

  MXene结构和组成的多样性(图1)使得有必要为MXene定义一个术语。MXenes的通式为Mn+1XnTX,其中M代表过渡金属位点,X代表碳或氮位点,n可以在1到4之间变化,TX(其中x是可变的)表示外部表面的表面终止过渡金属层。例如,具有两层过渡金属(n = 1)和随机末端的碳化钛MXene的化学式为Ti2CTX,而完全以氧或氯为末端的Ti2CTX可分别写为Ti2CO2或Ti2CCl2。如果有两种随机分布的过渡金属占据MXene结构中的M位形成固溶体,则公式将写为(M,M)n+1XnTX,其中M和M是两种不同的金属[例如,(Ti,V)2CTX)]。对于特定的金属成分,每种元素的浓度以十进制数给出[例如,(Ti0.66V0.34)2CTX]。如果这两种金属具有面内排序并在同一M层内形成M和M原子的交替链,则由此产生的MXene结构称为i-MXene。迄今为止已知的所有i-MXene都具有(M4()3)XTX公式,其中每个元素的浓度以小数形式给出。在大多数i-MXenes中,M原子可以被选择性蚀刻,产生有序的空位并产生具有M4()mmc空间群对称公式的i-MXene,其中M位点中的过渡金属接近- X原子占据M原子平面之间的八面置。已经报道了在M位点具有Ti、V、Nb、Mo、Cr、Zr、Hf、Sc、Ta、W和Y的MXenes。请注意,Cr、Sc、W或Y仅被报告为o-MXenes或i-MXenes的组分,以及上述其他金属。

  理论上至少预测了26种不同的o-MXene,其中MO2TiC2TX、MO2ScC2TX、Cr2TiC2TX和MO2Ti2C3TX已被实验报道。理想的o-MXene组成具有2:1或2:2的M与M之比,源于MXene结构中不同金属晶格位点的相应比例。另一方面,i-MXenes仅在M与M的比例为2:1且M和M之间的尺寸差异至少为0.2 Å时受到青睐。这种要求源于M层内的六边形原子排列,其中M原子形成蜂窝晶格,M原子占据六边形中心并从M层向外延伸(朝向其母体中的A层位置)i-MAX阶段)(15)。这种原子排列使i-MAX相具有单斜(C2()m或Cmcm)结构,由i-MXenes继承。到目前为止,已经合成了32种不同的i-MAX相。然而,A和M元素同时从大多数i-MAX相中被蚀刻掉。例如,使用HF,从(W2()3)2AlC和(W2()3)2AlC中选择性地去除Al和Sc或Y,从而产生具有有序双空位的W1.33CTX i-MXene。这种行为源于M元素与碳位点的较弱键合,正如它们从M平面向外位移所证明的那样。这些结构特征也允许目标蚀刻的概念,其中调整的合成条件可以促进从i-MAX相中单独去除A或A和M元素,如Mo4()3AlC所示。

  X位点可以被碳、氮或两者占据。除了ml-Ti2NTX和ml-Ti4N3TX之外,对氮化物MXene的研究受到限制,因为氮化物MXene的合成存在挑战。在碳氮化物MXenes中,据信C和N原子随机占据八面置,与碳氮化物的化学计量无关。然而,需要进一步研究以更好地理解这些MXene中X位点原子的排列。在过渡金属的块状碳化物和氮化物中,氧可以替代晶格中的C或N,分别形成碳氧化物或氮氧化物。应该研究MXenes中这种取代的可能性。

  MXenes的表面(图2A)覆盖有单个或混合末端(T = O、OH、NH、F、Cl、Br、S、Se、Te),具体取决于所使用的合成工艺和MXene组成。这些终止可以通过后处理改变或完全去除,这对性能有深远的影响。在含氟和氯的酸性溶液中合成MXene会产生具有混合表面终止的MXene,其中MXene分子式中TX(表面基团)的组成可以描述为(OH)mOxFyClz。核磁共振(NMR)、弹性中子散射、X射线光电子能谱(XPS)和扫描透射电子显微镜(STEM)技术以及密度泛函理论(DFT)预测表明F、OH和O的随机分布不同的比例,取决于合成方法,其中F和O终止通常在干燥状态下占主导地位的OH基团。T原子可以位于表面上相对于M和X原子的不同位置。这些部分在能量上最有利和热力学稳定的位点位于M2C、M3C2和M4C3层的表面,中心位于外层下方原子平面的过渡金属原子上方[面心立方(fcc)位点]。官能团也可以以它们位于X原子(hcp位点)顶部的方式排列在表面上。尽管室温下不同基团之间存在竞争以驻留在优选的热力学稳定位点,但STEM研究表明F原子是占据fcc位点的原子,而O原子可以驻留在两个位点。MXenes末端的组成和配位可以通过热处理和真空退火进行修改。例如,Ti3C2TX和Ti3CNTX MXenes的表面可以在550°C以上的温度下完全脱氟。

  薄片尺寸、化学计量、表面化学和点缺陷(主要是M和C亚晶格中的空位,要么是从前体继承的,要么是由蚀刻引起的)也会影响MXenes的物理性质及其化学稳定性。具有较少缺陷的较大Ti3C2TX薄片显示出更好的薄片内电子传输和化学稳定性,其电导率可达20,000 S cm-1。

  MXenes在可见光和近红外(vis-NIR)范围内显示纵向和横向表面等离子体模式,其中横向等离子体显示与薄片的横向尺寸无关。由于带间跃迁,它们还在紫外线(UV)范围内显示出强吸收。MXenes的光学特性取决于M和X位点的类型和结构以及表面终止的化学计量。不同的MXenes具有跨越整个可见近红外光谱区域的等离子体峰以及透射(胶体溶液或薄膜)和反射(固态多层膜)的等离子体颜色,如图2、E和F所示。通常,通过降低MXenes的n值,其光谱中突出的激发峰向更高的能量移动。例如,Ti3C2TX MXene的透射呈翠绿色,反射呈紫色,特征吸收峰集中在1.6 eV [波长(λ)约770 nm],而V2CTX的透射呈绿蓝色,反射呈棕金色,在紫外-可见-近红外(UV-vis-NIR)光谱区域没有吸收峰(图2,G和H)。据报道,透明Ti3C2TX薄膜的直流电导率与光导率的品质因数达到15,优于石墨烯和碳纳米管,这是由于其较低的薄层电阻(~201欧姆/平方)Ti3C2TX薄膜的透光率约为87%。V2CTX显示出更高的品质因数。在固溶体MXenes中,M:M比率的变化导致不同的等离子体颜色,如图2F所示,对于(Ti, Nb)2CTX和(Ti,V)2CTX系统中的几种成分。观察到Ti3C2TX薄膜的非线性光学行为(随着光强度的增加而降低透射率),这可以通过等离子体诱导的基态吸收增加来解释,这导致在1064 nm波长处产生可饱和吸收。

  虽然在早期研究中预测了MXenes的高弹性模量,类似于块状碳化物的弹性模量,但对MXenes机械性能的实验探索才刚刚开始。通过刮刀涂层技术制备的Ti3C2TX MXene薄膜(厚度约940 nm)显示出约560 MPa的拉伸强度(图2I),超过了铝箔的拉伸强度。在基本机械性能方面,到目前为止,只有Ti3C2TX和Nb4C3TX的单层薄片已经使用原子力显微镜(AFM)纳米压痕进行了实验测试。单层Ti3C2TX的杨氏模量(E)达到0.33 TPa。图2J显示了在双层Ti3C2TX上进行AFM纳米压痕实验期间的力-偏转曲线TX膜即使在破裂时也没有发生灾难性的失效,并且锋利的AFM尖端仅戳了一个洞(图2J,插图),证明了它们的高断裂韧性。此外,由于存在点缺陷和表面终止,单层Nb4C3TX的测量模量达到~0.39 TPa -仍低于理论预测的极限。Nb4C3TX的断裂强度达到26 ± 1.6 GPa。图2K比较了各种二维材料的杨氏模量值,包括新发现的气相生长的MoSi2N4。预计基于氮化物的MXene比碳化物MXene具有更高的面内杨氏模量。

  MAX相中的M和A原子与层状碳化物之间的强键合不允许从MAX相中直接机械剥离单个MX层,即使已知强烈剪切会产生多层MAX薄片。因此,需要通过层状前体中键的键能和化学反应性的差异来实现化学或电化学选择性蚀刻方法。在许多MAX相中,M层和A层原子之间的金属键比离子和()

  (A)通过从MAX相和相关层状化合物中去除A层来生产MXenes的两种方法的示意图。在第一种方法中,MAX相在含氟离子的酸中被选择性蚀刻。通过这种方法,可以获得多层MXene颗粒或原位分层2D薄片(使用MILD方法)。在第二种方法中,MAX相在熔盐中被选择性蚀刻。该产品通常是多层MXene颗粒,然后可以通过插层进行分层。(B)六边形Ti3AlC2 MAX相晶体的扫描电子显微镜(SEM)图像。(C) Ti3C2TX MXene颗粒的SEM图像,通过在熔盐中选择性蚀刻Si层而衍生自Ti3SiC2。(D)分层Ti3C2TX薄片的俯视SEM图像。(E) M3AX2 MAX相(Ti3AlC2)颗粒的STEM图像。(F) ml-M3X2TX MXene粒子(Ti3C2TX)的相应STEM图像。(G)单层Ti3C2TX的原子分辨平面STEM图像。(H到J)约1 L分层Ti3C2TX溶液、高浓度Ti3C2TX墨水、多层Ti3C2TX MXene颗粒、通过真空辅助过滤胶体MXene溶液制备的Ti3C2TX薄膜和大面积、机械坚固的Ti3C2TX薄膜的数码照片通过刮刀涂层生产。[(E)和(F)由P. O. Å提供。佩尔森;(B)到(D)和(G)到(J)改编自]

  不同浓度的HF通常用于蚀刻含铝的MAX相。虽然HF已被证明是一种非常好的选择性去除Al的蚀刻剂,但它具有很强的腐蚀性并带来严重的健康风险,在MXene合成过程中应考虑到这一点。然而,使用HF作为蚀刻剂通常会导致形成具有标志性手风琴形形态的ml-MXene颗粒,因为在合成过程中会释放氢气(请注意,没有看到这种形态并不一定意味着蚀刻不成功) )。生成的ml-MXenes随后可以通过有机分子的化学嵌入,例如二甲基亚砜(DMSO)、四丁基氢氧化铵(TBAOH)、四甲基氢氧化铵(TMAOH)或正丁胺,而分层为单层或几层薄片。由于它们的阴离子表面终止,湿化学蚀刻产生的d-MXenes具有低于-30 mV的zeta电位并形成稳定的胶体溶液。图3 B至D显示了Ti3AlC2 MAX相颗粒、ml-Ti3C2TX和d-Ti3C2TX的典型形态。图3,E到G,分别显示了Ti3AlC2、ml-Ti3C2TX的STEM图像,以及由它生产的单层d-Ti3C2TX的平面图。

  在与盐酸(HCl)或其他酸混合的氟化物盐(LiF、NaF、KF等)中进行蚀刻是另一种为MXene合成提供更安全途径的方法(5)。在这种称为MILD(最小强度层分层)方法的方法中,将HCl和金属氟化物混合会导致形成HF和嵌入剂(例如,如果使用LiF盐,则为锂离子),因此蚀刻和嵌入()溴化钾()

  图4 MXenes在光电、传感器和执行器、电磁干扰屏蔽以及无线通信和天线中的应用。

  (A)具有氧化铟锡(ITO)和MXene透明电极的发光二极管(LED)在不同电压下的亮度。左插图显示了基于MXene的绿色磷光有机LED (phOLED)的光学图像,右插图显示了该设备的示意图。(B)使用Ti3C2TX的有机场效应晶体管(OFET)的大规模电极阵列的照片和器件示意图。(C)展示MXene水凝胶拉伸性的照片。(D) MXene水凝胶应变传感器响应不同手势的电阻变化。(E)聚碳酸酯基板上的Ti3C2TX-纤维素软致动器对施加电压的响应。(F)带有用于生物分子传感的Ti3C2TX电极的MXene FET的图示。(G) Ti3CNTX、Ti3C2TX、MO2TiC2TX和MO2Ti2C3TX薄膜与碳和金属的EMI屏蔽效率(SET)的比较。在相当的厚度下,退火后的Ti3CNTX的性能优于所有其他材料。(H) MXene贴片天线与金属、碳和其他材料制成的贴片天线的辐射效率与厚度的比较。EGaIn,共晶镓铟;碳纳米管,碳纳米管。[(A)到(H)经许可改编。

  基于MXenes的气体传感器可以在室温下检测挥发性有机化合物(VOC)和非极性气体,如氨、乙醇和丙酮,这主要是因为它们的金属核心通道和表面官能团对这些气体产生了很强的吸附能分子。在室温下,基于Ti3C2TX的气体传感器比其他基于2D材料的气体传感器提供了高两个数量级的信噪比和更低的VOC检测体验极限。MXenes还用于生物传感器、应变传感器、执行器和软机器人。由于MXene薄片网络的3D结构,基于Ti3C2TX-PVA(聚乙烯醇)水凝胶的应变传感器表现出超过3400%的拉伸(图4C)和具有检测复杂手势能力的瞬时自愈特性在水凝胶基质内部(图4D)。聚碳酸酯膜上的Ti3C2TX-纤维素复合软致动器表现出快速响应和低功率致动变形,在5.1 V下最大弯曲角为147°(图4E)(101)。各种分析物的电化学活性、亲水性和丰富的表面化学使MXenes对生物传感具有吸引力(图4F显示了用于生物分子传感的MXene装置示意图)。独立式MXene膜已被用作固态纳米孔平台,用于单分子的快速检测和易位。

  高金属导电性和丰富的自由电子对于电磁干扰(EMI)屏蔽很重要。1至2微米厚的Ti3C2TX薄膜显示出~50 dB(99.999%保护)的EMI屏蔽效率(EMI SE),在45微米厚时为92 dB。已经针对EMI屏蔽应用研究了各种MXene组合物,证明了MXene的结构和成分在其EMI屏蔽性能中的作用。图4G显示了各种MXene和传统材料的EMI SETotal与其厚度的关系。40微米厚的Ti3CNTX MXene薄膜的电子电导率约为1800 S cm-1,约为Ti3C2TX的五分之一,比铜低几个数量级,其EMI SETotal为116 dB。尽管据信自由电子与入射电磁波的相互作用主导了它们的反射,但Ti3CNTX薄膜的异常性能可归因于它们的层状超材料状结构。这种异常现象背后的根本原因仍有待了解。Ti3C2TX的高导电性和溶液加工性也吸引了人们对微波吸收和太赫兹屏蔽以及无线通信、天线和射频识别(RFID)标签的关注,这些标签在重量和厚度的一小部分提供与铜天线相当的性能。例如,厚度为5.5 μm的Ti3C2TX MXene贴片天线 GHz的频率下显示出~99%的辐射效率和-49 dB的回波损耗值。图4H比较了Ti3C2TX无线天线与其他材料的辐射效率。

  MXenes用于电化学储能(锂离子电池和超级电容器)是一个早期的兴趣领域,我们建议读者阅读有关该主题的评论以了解详细信息。图5A突出显示了MXenes控制其电化学行为的特性。MXenes中的过渡金属核心层促进了通过电极的快速电子传输,从而实现了超高速率的电荷存储,过渡金属氧化物样表面为赝电容电荷存储提供了氧化还原活性位点。这两种特性的结合使MXenes成为用于超快超级电容器和电池的有前途的电极材料。此外,2D片之间的亚纳米层间缝隙允许快速离子嵌入和传输,并且它们可以通过预嵌入、柱化以及与其他2D材料或碳纳米管混合或异质结构进行扩展,以适应不同尺寸的离子。MXenes的表面终止可以针对某些氧化还原化学进行定制。例如,Ti3C2I2最近显示出可逆高压Io()K-S)电池,MXenes显示出对多硫化物的强吸附性、高导电性和催化能力。它们还可用作隔膜、集电器和锂主体上多硫化物传输的屏障,防止枝晶生长。此外,将MXenes与其他2D材料或混合架构与高容量转换型电池材料集成到异质结构中,可以使电池电极具有更高的容量、高倍率和长循环寿命。MXenes不仅可以改善电极内部的电荷和离子传输,还可以适应充当导电粘合剂的高容量组件的大体积膨胀。

  ()kg剂量的Ti3C2TX-大豆磷脂在808-nm激光照射(1.5 W cm-2)下不同时间间隔。(H)由Ti3C2TX()3CTX i-MXene独立式纸电极制成的电极阵列的示意图和明场显微镜图像显示出低电荷传输电阻率和1100 F cm-3在10 mV s-1下的体积电容,通过氩气后退火增加到~1600 F cm−3 (~700 F g−1)。这些结果大大高于MO2CTX MXene,表明MXene空位对电化学储能的有益影响。在有机电解质中,Ti3C2TX MXene中的电荷存储不仅取决于阳离子的种类,还取决于溶剂。这种溶剂选择性行为显示在图5C中,其中用碳酸丙烯酯代替乙腈溶剂,通过插入的锂离子的完全去溶剂化,使Ti3C2TX电极的Li+存储容量加倍。因此,需要将MXene与电解质正确配对。

  作为可溶液加工的2D材料,MXenes可以实现灵活的、片上的、可打印的和可穿戴的能量存储和收集设备。在包括纸在内的不同基材上制备的基于Ti3C2TX MXene的微型超级电容器能够过滤AC(交流电)线D显示了为交流线路滤波应用制造的MXene微型超级电容器的晶圆级阵列。具有良好环境稳定性和耐洗性的Ti3C2TX涂层导电纱线和储能纺织品已被证明并用于制造具有交叉电极的针织装置(图5E)。

  MXenes已用于能量收集和转换应用,例如可以从人体运动中收集能量的柔性摩擦纳米发电机。Ti3C2TX的高光热转换效率使其成为太阳能驱动水蒸汽产生的最佳材料之一。超声波能量收集也已被证明。此外,具有受限离子选择性纳米流体通道的层状独立Ti3C2TX膜被证明能够在盐度梯度下收集渗透能量。

  MXenes表面的氧原子末端可以有效地作为析氢反应(HER)的催化活性位点。因此,将它们的表面化学计量控制为更低的氟和更高的氧浓度可以降低MXenes中HER的过电位(130)。与Ti3C2TX或Ti2CTX相比,基于Mo的MXenes具有很少或没有氟末端,显示出更好的HER性能。引入有序空位,如i-MXenes,进一步提高了性能,如Mo4()3CTX所示。而在过渡金属二硫属化物(TMD)中,只有边缘具有催化活性,而MXene的整个基面都参与催化,提供高电流密度。在M位点上产生空位的可能性使这些材料能够支持单原子贵金属催化剂,正如固定在MO2TiC2TX表面的Mo空位上的铂原子所证明的那样。所生产的催化剂显示出比市售Pt-on-carbon催化剂高约40倍的催化质量活性。MXenes也被用于催化析氧反应(OER)和N2还原反应(NRR)。

  大多数MXene组合物(如Ti3C2TX、Nb2CTX和Ta4C3TX)的生物相容性和低细胞毒性,以及它们在近红外和红外范围内的等离子体共振和高光热转换效率,使这些材料有望用于癌症治疗诊断(图5F)。与Ti3C2TX相比,Ta4C3TX具有更高的光热效率(~44.7%),因此引起了特别关注。大豆磷脂修饰的Ta4C3TX纳米片用于乳腺癌细胞的体外和体内光热消融,其中90%的MXene孵育细胞在应用NIR激光后被杀死(图5G)。MXenes还被用于药物输送和磁共振成像(MRI)引导的肿瘤热疗应用。

  与氧化石墨烯相比,MXenes对生物污染和微生物和细菌的积累具有更高的抵抗力,因此已被用作过滤和海水淡化膜以及可植入设备。与金微电极相比,Ti3C2TX用于植入式脑电极,具有优异的阻抗和体内神经记录性能(图5H)。MXene电极阵列已显示出类似的性能,用于高密度、高分辨率的表面肌电图,其性能优于贵金属并允许无凝胶应用。受其令人兴奋的光电特性的启发,丙烯酸酯上的Ti3C2TX TCE在人工晶状体中进行了探索,模拟了眼睛天然晶状体的调节功能。图5H显示了基于旋涂Ti3C2TX电极和液晶的可调焦透镜示例,该液晶具有改变折射率(在电场下)的能力,从而导致光功率和焦距变化。

  Ti3C2TX和MO2TiC2TX MXenes通过吸附从透析液中去除尿素的能力比其他吸附剂更有效,并且可以开发一种称为人工肾的可穿戴透析系统。尿素和尿酸毒素的高吸附效率源于功能化和带电MXene片之间的狭窄缝隙,作为吸附位点。

  i-MXenes的合成,包括具有有序空位的结构;Ti4C3、Ti5C4和Mo4VC4TX MXenes的演示;纳米薄MO2C的化学气相沉积(CVD)生长;合成多种固溶体MXenes;在氨中通过高温处理将碳化物MXene转化为氮化物;TMD向二维W5N6和Mo5N6氮化物的拓扑化学转变表明合成更多二维碳化物和氮化物的可能性,这应该以高通量模拟和机器学习为指导,以加速材料发现。

  具有不同化学式的其他相关2D结构,例如2D MC2碳化物(例如,TiC2——待实验验证)、气相生长的2D MoSi2N4、超薄MAX相(MAXenes)以及具有类似特性的新兴2D硼化物家族(MBenes)已经预测到MXenes的公式,但具有硼占据的X位点,并且在某些情况下,它们的部分剥离颗粒已经产生或超薄晶体生长。碳化物和氮化物电子化合物,例如Ca2N,其环境稳定性低但物理特性有吸引力,也很受关注。例如,气相生长的2D MoSi2N4的杨氏模量约为0.5 TPa,断裂强度约为66 GPa。DFT计算预测了一大类半导体2D结构,其通式为MA2Z4,其中M是过渡金属,A是Si或Ge,Z可以是N、P或As。其他计算预测了HER和OER的2D MC2碳化物(例如NbC2、TaC2和MoC2),部分蚀刻的硼化物显示出电催化HER应用的前景。与MAX相类似,MAB相中的M-A键比M-B键弱,可能允许选择性蚀刻A元素。然而,先前的努力仅导致多层MBenes,其中定期去除Al层形成包含单个Al层的堆垛层错(在从MoAlB结构蚀刻期间仅去除了一个Al双层),从而产生了堆叠序列(即MO2AlB2 )阻碍铝进一步脱嵌和剥离。因此,需要更多的研究来确定合适的前体并实现MAB相完全剥离为MBenes。

  一般而言,前体对于MXene合成至关重要。一方面,重要的是通过类似艾奇逊的工艺或自蔓延高温合成,从矿石和煤、焦炭或炭黑中实现低成本合成。含有地球丰富元素(如钛和碳或氮)的MXene对大容量应用具有实际意义,例如能量存储或水净化和海水淡化,并且低成本前体的可用性将是一个有利因素。另一方面,设计为特定MXenes前体的新MAX相的合成同样重要,否则该系列的进一步扩展将是不可能的。例如,由于基于W的i-MAX的合成,含W的MXene成为可能,因为基于W的传统MAX相不稳定。通过添加第二个M元素启用了M5C4 MXene。用于MXene合成的MAX相和其他前体的计算驱动设计可能有助于扩大该家族并增加新的成分和结构。

  图6说明了未来发现和设计2D金属碳化物、氮化物和硼化物的潜在方向,以及可以打开超越最先进技术并朝着预测的极端特性发展的可能性的特性调整途径。几项研究表明氮化物MXenes (155)具有可调磁性和铁磁特性,这将使基于MXene的自旋电子器件成为可能。面内化学有序的i-MXenes,例如那些可能源自基于稀土(RE)的Mo4()3AlC i-MAX很有吸引力,因为磁性元素位于二维三角形晶格的顶点,这是一种排列这可能导致广泛的磁现象和复杂的有序(共线、手征等)或无序(自旋冰或液体等)基态。类似地,一些氧封端的MXenes(含Mo和Cr的M2CO2 MXenes或MO2TiC2O2和MO2Ti2O3 o-MXenes)被预测为具有特定带隙的拓扑绝缘体。熔盐技术允许合成完全氧终止的MXenes,因此可能导致对预测的拓扑绝缘体的实验验证。此外,应利用计算引导的合成和结构设计方法来研究生产超导MXene的可能性,并使其在磁成像、量子界面和其他应用中使用。

  MXenes的面内和面外电荷传输、层间化学对MXene薄膜片间传导的作用、其光电行为的电化学调节以及其他吸引人的特性有待探索。应该开发对M-A键比M-N键具有更高选择性的蚀刻路线,以剥离氮化物MAX相。除了目前已知的MXenes,其他2D碳化物和氮化物结构,包括气相生长的2D氮化物(MA2Z4)、计算预测的MC2碳化物和2D硼化物都是重要的目标。

  值得一提的是,MXenes补充了其他2D材料的特性,它们可以被视为为混合材料和结构添加金属导电、等离子体、电化学或催化特性的构建块,当与石墨烯、氮化硼、二硫属化物、和其他二维材料。这为使用增材制造和解决方案自组装构建具有编程特性的混合和异质结构材料和设备开辟了道路。

  应建立方法和协议来提高MXenes的化学稳定性,特别是对于作为单层薄片和薄膜的应用。更好地了解前体结构和化学计量的作用,以及蚀刻剂成分和后处理对合成和所得MXenes性能的影响,将促进MXenes在商业规模上的放大和大批量生产。必须进一步探索从非铝基MAX相或MAX相类似物合成MXenes。2D MXenes的CVD和物理气相沉积合成可以为制备高质量(无缺陷)、大单层晶体和裸MXenes打开大门,这可以促进对这些基本物理(量子)特性和电子应用的研究生物电子学和电化学人工突触或神经形态计算等领域的材料。

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