Nano Res.｜提升MXenes稳定性之二三事

北科纳米可提供MXenes材料（可定制）

研究摘要

得益于出色的亲水性与导电性、超高的体积电容与丰富的表面化学特性，MXenes在催化、储能、电磁屏蔽与生命科学领域中表现出独特且优异的性能。通常来讲，MXenes通过对相应的陶瓷相刻蚀而得到，因此对于MXene的制备来讲，金属原子在表面不可避免的暴露与阴阳离子的存在是主要挑战之一。由于刻蚀得到的MXenes常出于一种热力学亚稳态的状态，因此其倾向与氧与含氧官能团进行反应，从而形成金属氧化物等，这会对活性与性能产生不利影响。因此，提升MXenes基材料的稳定性在相关应用中具有重要的研究价值。然而，关于这方面的综述还比较少，鉴于此，南京信息工程大学Yizhou Zhang、清华大学庄泽超与上海交通大学Qi Kang教授研究团队在《Nano Research》发表最新综述，从以下几个方面对MXene材料的稳定性研究进行了系统总结：（i）影响MXene基材料稳定性的因素，包括MXenes片的氧化、MXene胶体溶液的稳定性以及MXene薄膜的溶胀与衰减；（ii）优化MAX相合成并改进MXenes制备条件的策略，以提升MXene基材料的稳定性；（iii）通过控制储存条件、在MXene片的表面或边缘形成屏障的方式，以研究用于延长新制备MXene基材料稳定性的新技术。最终，对高活性与稳定性的MXene材料的制备值得研究的方向进行了展望。

图文导读

图1. Mn+1XnTx的构成元素与MXenes的不同结构。

图2. 影响MXenes稳定性的策略及其相应的改进策略总结。

图3. MXenes的氧化过程模拟：在三种环境中MXenes的氧化速率。

图4. 不同条件下Ti3C2Tx的氧化过程。

图6. 有序化高度稳定的V2CTx MXene得制备过程与稳定性。

图7. MXenes在制备、使用与存储过程中的氧化问题与稳定性提升策略。

图8. MXenes在NaAsc溶液与去离子水中分散时的稳定性。

图9. MXenes的硅烷化改性过程提升稳定性。

图10. 利用蚕丝丝素对MXenes进行改性。

图11. 通过碳包覆的方式提升MXene稳定性。

总结

延缓或阻止MXenes的氧化对于在MXene基材料的设计、制备与应用都非常重要，重点在于如何提升MXenes的稳定性。相信在全世界范围内科学家的共同努力下，在不久的将来可以实现MXene基材料的高效、绿色与大批量制备。总的来说，需要从以下几方面努力：

（a）优化MAX相的合成：

 MAX相的合成一般是通过引入过量的含有过渡金属、C/N与A元素的化合物。这样做的目的在于保证MAX相刻蚀后的MXene材料具有较高的稳定性与活性。通过形成与其他材料复合形成异质结构也可以提升活性与稳定性。举例来说，在MAX与C3N4中有很多N原子，每个N原子的孤对电子会导致MAX相前驱体表面局部负电荷的分布。形成MAX/C3N4复合物通过刻蚀与剥离从而得到MXenes/C3N4异质结构具有良好的稳定性与活性。

（b）改进MXene的制备条件：

目前，MXenes材料主要通过湿法化学剥离得到，因此，表面缺陷、官能团与不完全反应的产物是不可避免的。通过非水性溶剂刻蚀MAX相从而制备MXenes材料，或通过化学气相沉积的方式生长MXene薄膜是具有潜力的策略。最近，研究人员已经成功地通过一步法制备出一种新型的MXenes-Ta2CS2，这种有序的S官能团化的MXene制备不需要任何对含Al前驱体的刻蚀过程。该过程可以有效低声MXens材料的稳定性与电化学性能，对于通过非MAX相前驱体制备新型MXene材料具有重要的借鉴意义。

（c）MXenes的后处理：

     （i）利用氮对缺陷（包括空位与吸附原子）和碳进行取代可以调控MXenes的电子结构，进一步提升其稳定性与活性；（ii）由于MXenes的氧化来自于其带正电的边缘，将这些边缘与负电性的材料结合科一提升其稳定性，比如在MXene的边缘中负载碳量子点可以很好地防止氧化问题；（iii）MXenes材料的氧化主要来自于水和氧气。为了避免这种情况，在MXenes的表面高亲水性的官能团，如-F、-OH与-O-，对其进行改性从而使MXenes转变为疏水性。改进后，M与X位点的固溶体行为与多样的官能团可以制备大量的MXene材料；（iv）通过插层，MXenes的稳定性受插层试剂及其与MXene的相互作用影响。

文献链接

https://doi.org/10.1007/s12274-022-4312-8