金属离子在其制备、加工及应用拓展中的重要意义_in_的作用_MXene
摘要：金属离子在MXene发展中发挥着重要的作用。天津大学杨全红教授团队以该角度切入MXene的研究历程，详细阐述了金属离子与MXene间的插层、交联和刻蚀作用，探讨了这些作用对MXene制备、加工和应用拓展的重要意义，为MXene基材料的结构设计、高效制备和潜在应用提供了新的视角和思路。
关键词：MXene，金属离子，制备，加工，应用
MXene是一系列具有二维结构的过渡金属碳化物/氮化物材料，其化学通式为M n+1 X n T x （n = 1~3），其中M代表过渡金属元素（如Ti、V、Mo、Cr），X为碳和/或氮，T为表面端基（如-O、-OH、-F、-Cl、-Br、-S、-NH、-Se、-Te)。MXene表面的单一端基（或混合端基），通常由它们的制备或加工过程而决定。一般来说，选择性刻蚀MAX相的A原子层，即可实现二维材料MXene的制备，其中MAX中的A为主族13或14的元素（如Al、Si、Ga)，M和X与对应的MXene相同。目前，100多种MXene被理论预测，其中30多种被成功制备，而Ti 3 C 2 T x 是最具代表性的MXene。MXene的独特结构，使其展示出优异的电子、光学和磁性特性；其表面端基提供了丰富的活性位点，赋予其溶液分散和性质调变的能力。借助结构设计和可控制备，MXene基材料在各种应用中展现出广阔的应用前景。
MXene固有的结构与性质，使其在与不同金属离子相互作用时，呈现出多样的响应行为。碱金属离子（如Li + 、Na + 、K + ）可以在MXene层之间自发或电化学插层，引起MXene层间距增大。而有些金属离子却会诱导MXene显著的结构和晶格变化。例如，多价金属离子（如Fe 2+ 、Mg 2+ ）可以触发Ti 3 C 2 T x 片的交联，构建三维MXene网络；一些具有氧化性的金属离子（如Fe 3+ 、Cu 2+ ）会造成Ti 3 C 2 T x 面内缺陷，甚至会导致Ti3C2Tx的降解。此外，金属离子也参与着MAX到MXene的结构演变，如MAX中被刻蚀后的A原子，LiF/HCl制备路线中的Li + ，以及熔融盐制备路线中CuCl 2 的Cu 2+ 。以上过程在很大程度上影响着制备出的MXene品质。
综上，金属离子在MXene的制备、加工和应用中至关重要。从MXene的角度出发，其丰富的表面基团耦合不同的金属离子，可以实现其有效的结构控制，如层间结构和3D结构。MXene的表面修饰可以通过金属离子产生的链效应实现。例如，通过作为刻蚀剂的熔融MClx盐的选择实现-Cl修饰；通过碱处理实现-O修饰。此外，MXene中的M过渡金属具有多价态，因此与具有氧化性的金属离子作用时，可能导致面内缺陷，例如原子空位和孔隙。而从金属离子的角度出发，它们与MXene的相互作用可以诱导离子吸附、锚定或原位还原，使其可作为活性位点，或是制备MXene基复合材料的成核位点。此外，金属离子在储能中还是重要的电荷载流子，其与MXene的相互作用很大程度上决定着器件的电化学性能。借助这些直接或间接的相互作用，MXene可用于超级电容器和离子电池电极、单原子或复合催化剂、以及水处理的关键材料。此外，对金属离子作用的深入了解，有助于对MAX前驱体到MXene演化过程的梳理和优化，对开发可控环保的制备策略有着重要意义。
基于此，天津大学杨全红教授和陶莹副教授团队在题为“Roles of Metal Ions in MXene Synthesis, Processing and Applications: A Perspective”的综述中，特别对金属离子与MXene的作用进行了分类——插层、交联和刻蚀，深入探讨了基于不同作用方式的材料化学，并系统总结了这些相互作用对MXene的制备、加工和应用的影响，旨在为MXene基材料的优化制备和潜在应用提供新的视角和设计思路，推动这种新颖独特的二维材料的实用化进程。该文近日发表在 Advanced Science 上。
WILEY
论文信息：
Roles of Metal Ions in MXene Synthesis, Processing and Applications: A Perspective
Yu Long, Ying Tao*, Tongxin Shang, Haotian Yang, Zejun Sun, Wei Chen, Quan-Hong Yang*
Advanced Science
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期刊简介
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