【摘要】：MXene是一種新型的二維過渡金屬碳化物或碳氮化物,具有類似石墨烯的二維結(jié)構(gòu),其化學(xué)通式是M_(n+1)X_nT_z,n=1,2,3,其中M為早期過渡金屬元素,X為碳或氮元素,T為表面鏈接的F~-、OH~-、O~(2-)等活性官能團(tuán)。通過化學(xué)液相法可以選擇性蝕刻掉MAX相中的A元素得到相應(yīng)的MXene相�，F(xiàn)今較為成熟的制備方法是HF蝕刻法。對MXene的結(jié)構(gòu)與性能進(jìn)行的第一性原理計算表明,其具有獨特的二維層狀結(jié)構(gòu)、較大的比表面積及良好的導(dǎo)電性、穩(wěn)定性、磁性能和力學(xué)性能,已廣泛應(yīng)用于儲能、催化、吸附等多處領(lǐng)域。本文綜述了類石墨烯二維材料MXene的理論、制備和應(yīng)用方面的研究進(jìn)展,并對現(xiàn)有挑戰(zhàn)和未來發(fā)展提出了建議。隨著研究的進(jìn)一步深入,MXene將被應(yīng)用于更廣泛的領(lǐng)域。
【圖文】：

方法(化學(xué)液相蝕刻法)將A層從結(jié)構(gòu)中去除,從而獲得一種新型的二維堆疊層狀結(jié)構(gòu)。迄今為止,已成功制備出了Ti2C、Ti3C2、Ti3CN、V2C、Nb2C、TiNbC、Nb4C3、Ta4C3、(Ti0.5Nb0.5)2C和(V0.5Cr0.5)3C2等MXene相[10,21-23]。MAX這種新型陶瓷材料綜合了陶瓷和金屬的優(yōu)點[24],并由于具有獨特的層狀結(jié)構(gòu),自潤滑、高韌性、可導(dǎo)電,可用作涂料的保護(hù)層、催化劑、高溫結(jié)構(gòu)材料、潤滑材料等。而由MAX相制得的MXene在具有二維片層狀結(jié)構(gòu)的同時兼具表面親圖1MAX相元素在元素周期表上的位置,插圖為MAX相的原子簇示意圖[11]Fig.1Fragmentoftheperiodictable,showingelementsformingMAXphaseswithgeneralcompositionMn+1AXn.InsetisanexampleofpackingmotiffortheMAXphases[11]圖2三種MAX相的結(jié)構(gòu)示意圖Fig.2StructurediagramsofthreetypicalMAXphases水性、金屬導(dǎo)電性及優(yōu)良的電化學(xué)性能等,有望用于儲能、催化、吸附、儲氫、傳感器以及新型聚合物增強(qiáng)基復(fù)合材料等諸多領(lǐng)域。迄今為止,已發(fā)現(xiàn)了60多種MAX相材料[16]。由于MAX相數(shù)量眾多,含有多種元素,所以蝕刻MAX可以得到大量具有特殊性能的MXene,這對于二維材料的發(fā)展具有深遠(yuǎn)的影響。本文綜述了現(xiàn)階段報道的有關(guān)MXenes的理論、制備技術(shù)和應(yīng)用等方面的研究成果,并對存在的問題進(jìn)行了分析與展望。

構(gòu),將這種新材料命名為MXenes相材料。制備MXene的前驅(qū)體是MAX相。20世紀(jì)60年代,Nowotny團(tuán)隊[12]率先提出了三元過渡金屬碳化物或碳氮化物的概念,此后又發(fā)現(xiàn)了多種具有類似結(jié)構(gòu)的化合物,直到2000年Barsoum等[13]將這類材料統(tǒng)稱為Mn+1AXn(MAX)相材料。圖1所示為MAX相元素在元素周期表中的位置,其中M為過渡族金屬元素,A為Ⅲ或Ⅳ族元素[14-15],X為C或N元素,n一般為1,2或3[16-17]。MXene的化學(xué)通式是Mn+1XnTz,T表示的是其表面鏈接的羥基、氧離子或氟離子等活性官能團(tuán)[18-19]。如圖2所示,根據(jù)n取值的不同,可將MAX分為211系(如Ti2SnC)、312系(如Ti3SiC2)和413系(如Ti4AlN3)。MAX屬于六方晶系,是由交替排列的Mn+1Xn片層與緊密堆積的A原子層連接而成,其中,M-X原子層間主要是共價鍵和離子鍵,M-A原子層間主要以金屬鍵相連,與M X鍵相比,M A鍵結(jié)合力較弱,因而A層原子反應(yīng)活性比較高,易于剝離開來[20]。即通過適當(dāng)?shù)姆椒?化學(xué)液相蝕刻法)將A層從結(jié)構(gòu)中去除,從而獲得一種新型的二維堆疊層狀結(jié)構(gòu)。迄今為止,已成功制備出了Ti2C、Ti3C2、Ti3CN、V2C、Nb2C、TiNbC、Nb4C3、Ta4C3、(Ti0.5Nb0.5)2C和(V0.5Cr0.5)3C2等MXene相[10,21-23]。MAX這種新型陶瓷材料綜合了陶瓷和金屬的優(yōu)點[24],并由于具有獨特的層狀結(jié)構(gòu),自潤滑、高韌性、可導(dǎo)電,可用作涂料的保護(hù)層、催化劑、高溫結(jié)構(gòu)材料、潤滑材料等。而由MAX相制得的MXene在具有二維片層狀結(jié)構(gòu)的同時兼具表面親圖1MAX相元素在元素周期表上的位置,插圖為MAX相的原子簇示意圖[11]Fig.1Fragmentoftheperiodictable,showingelementsformingMAXphas
【作者單位】： 河海大學(xué)力學(xué)與材料學(xué)院;
【基金】：江蘇省自然科學(xué)基金(BK20161506) 中央高�？蒲袠I(yè)務(wù)費(2013B34414,2015B01914,2016B45614) 高性能陶瓷與超微結(jié)構(gòu)國家重點實驗室開放基金(SKL201401SIC)~~
【分類號】：TB30

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本文編號：2534160