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MXene：一種廣泛應(yīng)用新材料的新開發(fā)途徑
MXene是材料科學(xué)中的一類二維無機(jī)化合物。這些材料由幾個(gè)原子層厚度的過渡金屬碳化物、氮化物或碳氮化物構(gòu)成。它最初于2011年出現(xiàn)，由于MXene材料表面有羥基或末端氧，它們有著過渡金屬碳化物的金屬導(dǎo)電性。在超級電容器、電池、電磁干擾屏蔽和復(fù)合材料等中得到越來越廣泛的應(yīng)用。例如與傳統(tǒng)電池不同，該材料為離子的運(yùn)動(dòng)提供了更多的通道，大幅提高了離子運(yùn)動(dòng)的速度。
科學(xué)家們已經(jīng)研究出了MXene材料，通常通過選擇性地蝕刻主族元素A來從相應(yīng)的MAX相合成襯底，其中M代表過渡金屬，X代表碳或氮，主族元素A可以包括鋁、鎵、硅和其他元素。研究人員通常在氟化氫（HF）水溶液中執(zhí)行蝕刻，以使MXene具有氟化物、氧和氫氧化物官能團(tuán)的混合物。
與其他二維材料，例如石墨烯和過渡二鹵化碳的表面不同，官能團(tuán)也可以進(jìn)行化學(xué)修飾。先前的研究表明，具有不同表面基團(tuán)的MXene的選擇性終止可以導(dǎo)致出色的性能，包括可調(diào)諧的功函數(shù)和二維鐵磁性。底物的共價(jià)功能化將導(dǎo)致發(fā)現(xiàn)合理設(shè)計(jì)二維功能材料的新方向。
二維過渡金屬碳化物中的表面官能團(tuán)可以進(jìn)行多種化學(xué)轉(zhuǎn)化，以促進(jìn)廣泛的MXene材料的使用。最近，芝加哥大學(xué)和阿貢國家實(shí)驗(yàn)室的化學(xué)、物理學(xué)和納米材料科學(xué)家組成的一個(gè)研究團(tuán)隊(duì)，設(shè)計(jì)和開發(fā)了一種新型的MXene合成途徑。他們通過熔融無機(jī)鹽中的取代和消除反應(yīng)來安裝和去除表面基團(tuán)。該團(tuán)隊(duì)成功地合成了具有氧、亞胺基、硫、氯、硒、溴和碲表面末端的MXene，具有獨(dú)特的結(jié)構(gòu)和電子特性，這些表面基團(tuán)還可以控制MXene晶格中的原子間距離，以顯示依賴于表面基團(tuán)的超導(dǎo)性。
如圖所示MXene在熔融無機(jī)鹽中的表面反應(yīng)。（A）蝕刻酸性熔融鹽中MAX相的示意圖。（B）通過在熔鹽中蝕刻MAX相而合成的MXene片的原子分辨率高角度環(huán)形暗場圖像。（C）MXene片的能量色散X射線元素線掃描分析。所有比例尺均為1納米。
通過在實(shí)驗(yàn)室中的熔融鹽中蝕刻MAX相，科學(xué)家消除了不希望的氧化和水解反應(yīng)，從而合成了新的MXene。使用高分辨率掃描透射電子顯微鏡（STEM）、拉曼光譜和X射線方法對樣品進(jìn)行表征，展示了氯化物（Cl-）和溴化物（Br-）封端的MXenes如何有效地參與新型表面反應(yīng)。該工藝可以對MXene材料的表面化學(xué)、結(jié)構(gòu)和性能進(jìn)行前所未有的控制。
具有不穩(wěn)定的（易于改變的）表面鍵合的基于氯化物和溴化物的MXenes可作為通用的合成子進(jìn)行其他化學(xué)轉(zhuǎn)化。MXene表面交換反應(yīng)需要300攝氏度至600攝氏度的溫度，這是傳統(tǒng)溶劑難以達(dá)到的。因此，該團(tuán)隊(duì)在熔融液中使用了具有獨(dú)特的高溫穩(wěn)定性和高溶解度的熔融堿金屬鹵化物。
為了了解材料的反應(yīng)性，科學(xué)家們跟蹤了使用Ti3C2Cl2薄板進(jìn)行表面交換反應(yīng)的過程。將MXene片堆疊在熔融鹽中極大地幫助了離子的擴(kuò)散。該研究結(jié)果表明，如何以獨(dú)特的通用性設(shè)計(jì)出MXene的組成和結(jié)構(gòu)，同時(shí)MXene的化學(xué)功能化幾乎影響了材料的所有特性，并影響了MXenes中電子傳輸?shù)男再|(zhì)。
研究指出，在6.0 K的臨界溫度下電阻率急劇下降，表明材料中發(fā)生了超導(dǎo)轉(zhuǎn)變。相比之下，通過傳統(tǒng)蝕刻路線（在HF水溶液中）制備的基于氧、氫氧化物和氟化物的MXenes表現(xiàn)出高兩個(gè)數(shù)量級的電阻率，而未顯示出超導(dǎo)性。
含氧封端的MXene的電阻率最高，而含硒封端的MXene的電阻率最低。從而，表面基團(tuán)是MXene超導(dǎo)性的積極貢獻(xiàn)者，影響了材料中的雙軸應(yīng)變、聲子頻率和電子-聲子耦合強(qiáng)度。MXene交換反應(yīng)顛覆了傳統(tǒng)固體觀點(diǎn)，通常認(rèn)為固體很難在合成后進(jìn)行修飾。通過廣泛的表征研究，研究團(tuán)隊(duì)展示了如何合理設(shè)計(jì)擴(kuò)展的MXene堆棧內(nèi)部的化學(xué)鍵以形成廣泛的功能材料。
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