MXene是一類具有二維層狀結(jié)構(gòu)的無(wú)機(jī)化合物,其化學(xué)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(tuán),通常為-OH、-O、-F和-Cl。其最早是在2011年由美國(guó)德雷塞爾大學(xué)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(jié)構(gòu),于是被命名為MXene。近年來,此類材料憑借其獨(dú)特的物理化學(xué)性質(zhì)在電池、超級(jí)電容器、催化、光電器件、凈水、生物醫(yī)藥、氣體傳感器等多個(gè)領(lǐng)域受到廣泛關(guān)注,在學(xué)術(shù)界更是成為了各類頂刊的??汀?span style="text-indent: 24pt; font-weight: bold;">就在這個(gè)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(diǎn)。

七月初,美國(guó)芝加哥大學(xué)Dmitri V.?Talapin等報(bào)道了通過對(duì)MXene進(jìn)行表面修飾,從而調(diào)控出了Nb2C型MXene的超導(dǎo)性質(zhì),為這種材料的設(shè)計(jì)和應(yīng)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(guó)德雷塞爾大學(xué)的Yury?Gogotsi教授團(tuán)隊(duì)報(bào)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(lǐng)域存在難題,不僅報(bào)道了一種新型的屏蔽材料,還揭示了一種新的物理學(xué)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(gè)月內(nèi)又一次登上《Science》。

?一月2登《Science》,明星材料MXene將會(huì)掀起什么新熱點(diǎn)?

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【MXene的超導(dǎo)性】

MXene通常由相應(yīng)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(jìn)行,從而使MXene終止于F、O和OH等官能團(tuán)。與其他2D材料的表面不同,這些官能團(tuán)可以進(jìn)行化學(xué)修飾,而具有不同表面基團(tuán)的MXene會(huì)具備不同的特性,例如可開關(guān)的帶隙、可調(diào)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(jià)功能化有望為合理設(shè)計(jì)2D功能材料揭示新的方向。

在第一篇論文中,作者通過molten無(wú)機(jī)鹽在高于500℃的條件下將表面官能團(tuán)進(jìn)行消除和重修飾,實(shí)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(jié)構(gòu)和電子特性。作者發(fā)現(xiàn)對(duì)界面上官能團(tuán)進(jìn)行調(diào)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(kuò)展。

此外,作者在Nb2C相應(yīng)的材料中發(fā)現(xiàn)了低溫區(qū)超導(dǎo)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(dǎo)性。作者認(rèn)為表面修飾作用對(duì)晶格軸應(yīng)力、聲子頻率、電子-聲子耦合強(qiáng)度的調(diào)控使得MXene材料出現(xiàn)了超導(dǎo)性質(zhì)。

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圖1?Mxene在無(wú)機(jī)鹽中的界面反應(yīng)
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圖2表面基團(tuán)可在MXene晶格中誘發(fā)應(yīng)變

【Mxene異常高的電子屏蔽性

嚴(yán)重的電磁干擾(EMI)往往會(huì)引起電子通訊設(shè)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(zhì)、超薄和靈活的EMI屏蔽材料來保護(hù)電子電路和便攜式通訊設(shè)備,并消除設(shè)備與設(shè)備之間的干擾。Ti3C2Tx 型MXene及其復(fù)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(yīng)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(jié)構(gòu)。盡管多數(shù)研究已經(jīng)證明了MXene對(duì)電磁波的反射和吸收,但總體上它的屏蔽效果并未得到實(shí)質(zhì)性改善。

在第二篇論文中,作者報(bào)道了導(dǎo)電性能一般的二維過渡金屬碳氮化物Ti3CNTx型MXene與更具導(dǎo)電性的Ti3C2Tx或相同厚度的金屬箔相比,具有高達(dá)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(shí)現(xiàn)的,這歸因于其分層結(jié)構(gòu)中異常高的電磁波吸收率,而不僅僅是對(duì)電磁波的反射。雖然當(dāng)前理論還不能完全解釋這一現(xiàn)象,但這些結(jié)果為設(shè)計(jì)高級(jí)EMI屏蔽材料提供了指導(dǎo),同時(shí)也強(qiáng)調(diào)了探索電磁波與2D材料相互作用背后的基本物理機(jī)制具有重要意義。

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圖3?Ti3CNTx的形貌與結(jié)構(gòu)
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圖4 當(dāng)前電磁屏蔽材料性能比較

總結(jié):當(dāng)月的兩篇《Science》分別報(bào)道了Nb2C型MXene的超導(dǎo)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(diǎn)。當(dāng)前主流的研究集中在能源、電化學(xué)傳感器、電磁屏蔽等領(lǐng)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(huì)一直居高不下,它作為明星材料還有更多的秘密等著學(xué)者們?nèi)パ芯?。但目前MXene前驅(qū)體MAX相材料的高價(jià)格和復(fù)雜工藝可能也是制約MXene研究進(jìn)一步普及的原因之一。此外,MXene的化學(xué)穩(wěn)定性也飽受詬病。希望各個(gè)領(lǐng)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(gè)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

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