吉林大学最新MXenes综述:用于下一代技术的制备策略和构效关系的进展与展望

文章简介：

自二维材料发现以来，就成为了最具活力的研究领域之一。MXenes作为一种新的、有前途的二维材料，已经引起了科学界的极大关注。近年来，由于其独特结构和优异性能，相关研究文章呈指数增长，MXenes已成为迄今为止最有前途的材料之一，被广泛应用于各个领域，包括能量存储和转换，传感，催化，电磁干扰(EMI)屏蔽，生物医学/治疗，水处理等。然而，大多数发表的关于MXenes的综述都集中在合成、表征或应用等特定方面，缺乏对MXenes整体开发的全面概述。

有鉴于此，来自吉林大学的崔小强教授、阮晓文博士以及香港城市大学Sai Kishore RAVI教授采用从微观到宏观的叙事方法，对MXenes的最新发展提供了一个整体的视角。首先概述了MXenes研究的总体进展。此外，详细介绍了MXenes的结构、合成方法、表征技术以及广泛的应用领域，展示了MXenes在前沿领域的潜力。最后，总结了MXenes的最新进展，并对该领域当前面临的挑战和未来的发展进行了展望。相关成果发表于Small，题为“Functional MXenes: Progress and Perspectives on Synthetic Strategies and Structure–Property Interplay for Next-Generation Technologies”文章链接：

https://onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1002/smll.202304483

一、研究内容：

（一）MXenes的元素组成及分类方案

经过十多年的发展，MXenes的种类较为丰富，其包含的元素更是丰富多彩，图一总结了目前MXenes各个组分以及A层所包含的元素。同时，基于目前已经开发出的MXenes不同结构，本文采用MXenes本征结构熵（S）作为分类判据，以最常见的“Common-MXenes”为基准，将其余的MXenes分为两大类，六小类。

图1. MXenes的组成元素及结构分类。a) MXenes和A层的组成元素。b) MXenes的七个关键类别。

（二）MXenes的制备方法

本文将目前常见的MXenes刻蚀方法分为近环境温度合成以及非环境温度合成，同时对制备单层MXenes的插层技术进行了简要的介绍。

（三）MXenes的构效关系

了解MXenes结构和性能之间的复杂关系对于开发其在各种应用中的全部潜力至关重要。从最初的MAX相刻蚀到微观层面的功能结构和复合材料的发展，最终目标是建立对MXenes构效关系的全面理解。弥合微观和宏观之间的区别需要应用表征技术，才能使我们能够探测和理解这些联系。对此，我们从原位和非原位两个角度对目前常见的MXenes表征方式进行概述，并阐明了调控MXenes性能的机制，从而使基于MXenes的材料的设计和优化具有更广泛的应用。

（四）MXenes的技术展望

MXenes卓越的结构和化学特性为其广泛的应用奠定了坚实的基础。MXenes具有类似石墨烯的结构，较大的比表面积、优异的导电性、多样的成分、可调节的表面末端、可控制的厚度和优异的亲水性。这些固有的特性使MXenes具有很高的通用性，适用于广泛的宏观应用。

图2. MXenes的主要应用。

随着MXenes研究的进展，对新兴领域的探索也在不断扩大。对MXenes构效关系方面的理解不断进步将有助于新应用领域的开发，并进一步扩大MXenes在各个领域中的应用。

（五）结论与展望

在相对较短的十年时间里，MXenes获得了极大的关注，并成为一种具有巨大研究和应用潜力的极具前景的材料。尽管取得的显著的成果，但MXenes的旅程还有很多挑战和未解决的问题。为了促进持续的发展，认识和解决与MXenes的合成策略和构效关系有关的问题是至关重要的。在此，本文简要概述了MXenes领域当前存在的问题和未来的前景，旨在为未来的道路指明方向。

总之，尽管遇到了一些挑战，但对MXenes的研究表明，它们作为一种非常有前途的材料具有相当大的潜力。虽然这些挑战一定程度上阻碍了充分开发MXenes的全部潜力，但目前正在积极研究，以展现出它们诸多的优异本征特性。借鉴石墨烯的发展经验，通过国际合作的研究努力，我们可以将MXenes推向新的高度，为材料科学和技术做出重大贡献。

图3. 概述了MXenes在合成策略和构效关系方面的意义和期望。

二、作者简介：

第一作者：孟德鹏

吉林大学材料科学与工程学院材料物理与化学专业2021级硕士研究生，师从崔小强教授。主要研究方向为光催化析氢、二氧化碳还原以及光重整纳米材料的设计与构建。

共同第一作者：许明华

吉林大学材料科学与工程学院材料物理与化学专业2023级博士研究生，师从崔小强教授。主要研究方向为用于光催化析氢和光重整的过渡金属硫化物和氧化物的精准设计。

论文通讯作者：阮晓文博士

阮晓文博士，2023年毕业于吉林大学材料物理与化学专业，师从崔小强教授。2023年加入香港城市大学能源及环境学院任博士后，合作导师是Sai Kishore RAVI教授。主要从事光降解污染物、光解水制氢、CO₂还原的新型低维材料的构建及性能研究。目前以第一/通讯作者在Advanced Materials, Advanced Energy Materials, Small, Small Methods, Chemical Engineering Journal等国际知名期刊上发表10余篇文章，其中3篇曾入选ESI高被引/热点论文。

论文通讯作者：崔小强教授

吉林大学材料科学与工程学院教授/博士生导师，副院长。崔小强教授主要研究方向为能源催化材料，面向氢能综合利用、燃料电池汽车等国家重大战略需求，从原子尺度上开展高效催化剂的设计和制备研究。相关研究成果连续发表在Nature Communications（3篇）、AM、JACS、AEM、AFM、Angew、Chem、Matter等学科顶级期刊，被多次正面引用。累计发表SCI论文150余篇，他引4800余次，H因子37；主持科技部国家重点研发计划纳米专项课题（1项，712万）、国家自然科学基金面上项目（5项）等。申请国家发明专利43项，授权29项。获教育部“新世纪优秀人才”计划支持、吉林省“长白山学者”、吉林省第七批拔尖创新人才第三层次、吉林省第十六批享受政府津贴专家（省有突出贡献专家）、长春市第六、七批有突出贡献专家，吉林大学“三全育人”育人标兵等荣誉称号。担任中国材料研究学会青年工作委员会第七、第八届理事会理事（2011.10至今），中国材料学会纳米材料与器件分会首届理事会（2014.4至今）、中国有色金属学会贵金属学术委员会会员（2018.5至今）、中国材料学会终身会员（2021.2年至今）、《中国材料进展》期刊第五届编辑委员会青年委员（2021.4年至今）。

论文通讯作者：Sai Kishore RAVI

Sai教授是香港城市大学助理教授。博士毕业于新加坡国立大学，之后在新加坡国立大学担任研究员。Sai教授的研究兴趣包括：(1) 太阳能燃料（半人工光合作用、绿色氢气、光催化/生物催化CO₂还原）；(2) 光介导/生物催化水处理、废水转化为能源技术、太阳能脱盐；(3) 可持续生物电子（生物电容器、自供电触觉传感器和电子纸）；(4) 功能性纳米纤维（空气过滤器、电子纺织品和个人热管理）。迄今在Advanced Materials, Advanced Energy Materials, Advanced Functional Materials, Energy & Environmental Science, Nature Communications, and Science Advances等国际著名期刊上发表论文，多个专利。

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