三元層狀碳氮化合物(MAX相)及其衍生二維納米材料(MXene)研究趨勢(shì)與展望

李勉, 黃慶

三元層狀碳氮化合物(MAX相)及其衍生二維納米材料(MXene)研究趨勢(shì)與展望

李勉, 黃慶

(中國(guó)科學(xué)院 寧波材料技術(shù)與工程研究所, 先進(jìn)能源材料工程實(shí)驗(yàn)室(籌), 寧波 315201)

近年來(lái), 三元層狀碳氮化合物(MAX相)及其衍生二維納米材料MXene受到了科學(xué)界的廣泛關(guān)注。MAX相的晶體結(jié)構(gòu)由M1X結(jié)構(gòu)單元與A元素單原子面交替堆垛排列而成, 兼具金屬和陶瓷的諸多優(yōu)點(diǎn), 在高溫結(jié)構(gòu)材料、摩擦磨損器件、核能結(jié)構(gòu)材料等領(lǐng)域有較大的應(yīng)用潛力。MAX相的A層原子被刻蝕之后獲得成分為M1XT(T為表面基團(tuán))的二維納米材料, 即MXene, 具有豐富的成分組合以及可調(diào)諧的物理化學(xué)性質(zhì), 在儲(chǔ)能器件、電磁屏蔽、電子器件等領(lǐng)域表現(xiàn)出良好的應(yīng)用前景。本文簡(jiǎn)要介紹近年來(lái)國(guó)內(nèi)外MAX相和MXene材料領(lǐng)域在成分與結(jié)構(gòu)、合成方法、性能與應(yīng)用研究等方面的研究動(dòng)態(tài), 據(jù)此展望未來(lái)幾年該類新穎材料的發(fā)展方向。

MAX相；MXene；層狀材料；綜述

20世紀(jì)60年代, 奧地利維也納大學(xué)的Nowotny等[1-2]首先報(bào)道了40余種具有密排六方結(jié)構(gòu)的化合物, 如Ti2AlN、V2AlC和Nb2InC等, 并將其統(tǒng)稱為H-相(H-phase)。1996年, 美國(guó)德雷克塞爾大學(xué)的Barsoum團(tuán)隊(duì)[3]合成出高純的Ti3SiC2陶瓷材料, 并揭示其具有可加工性、優(yōu)異的抗熱震性能和高損傷容限, 引起了科學(xué)界廣泛的關(guān)注。Barsoum 等[4]在2000年的綜述文章中將早期發(fā)現(xiàn)的H-相和Ti3SiC2等具有M1AX化學(xué)通式的層狀化合物統(tǒng)稱為MAX相, 其中M為前過(guò)渡族金屬, A主要為ⅢA和ⅣA族元素, X為碳或氮,=1~3。近年來(lái), 科學(xué)家們合成出更多的新MAX相材料, 不僅數(shù)量和組元大幅增加, 而且原子晶體結(jié)構(gòu)特點(diǎn)也體現(xiàn)出新特征。迄今為止, MAX相家族的成員已經(jīng)達(dá)到100多種[5], 組成元素中M位元素從Ti、V、Cr等前過(guò)渡族金屬元素拓展到了Ce、Pr等稀土元素[6], A位元素也從熟知的ⅢA和ⅣA族元素?cái)U(kuò)展到了Au、Ir、Zn和Cu等后過(guò)渡族金屬元素[7-9], X位元素則增加了B元素(如Ti2InB2)[10](圖1)。與此同時(shí), 材料科學(xué)家在合成和表征新型的固溶型 MAX 相(solid-solution MAX phases)、面內(nèi)有序型MAX相(in-plane ordered MAX phases, i-MAX)和面外有序型MAX相(out-of-plane ordered MAX phases, o-MAX)等方面不斷取得突破, 進(jìn)一步展現(xiàn)了MAX相材料的結(jié)構(gòu)調(diào)諧性。其中固溶型多為四組元MAX相, 可分為M位、A位、X位化學(xué)無(wú)序固溶, 如(Cr0.5V0.5)2GeC[11]、Ti3SiGe1–xC2[12]和Ti3Al(C0.5N0.5)2[13]等。i-MAX和o-MAX均屬于M位原子化學(xué)有序固溶的四元MAX相, 新引入的M位原子在晶格中占據(jù)了不同的位置(圖 2)。i-MAX的兩種M位原子均占據(jù)同一平面并有序固溶, o-MAX的兩種M位原子則分別占據(jù)不同平面。瑞典林雪平大學(xué)Rosen等[14]首先報(bào)道并系統(tǒng)研究了i-MAX相結(jié)構(gòu)材料(Mo2/3Sc1/3)2AlC。中國(guó)科學(xué)院金屬研究所的李美栓等[15]則在2014年報(bào)道了o-MAX相結(jié)構(gòu)材料(Cr2/3Ti1/3)3AlC2。美國(guó)德雷克塞爾大學(xué)的Anasori等[16]隨后發(fā)現(xiàn)了多種o-MAX相, 并利用高分辨掃描透射電鏡技術(shù)(High-resolution scan-ning transmission electron microscopy, HR-STEM)對(duì)其原子結(jié)構(gòu)進(jìn)行了確認(rèn)?？梢钥闯? MAX相晶體結(jié)構(gòu)充分體現(xiàn)出元素包容性和結(jié)構(gòu)多樣性, 這對(duì)其性能探索和應(yīng)用研究提供了巨大的想象空間。

圖1 目前已合成MAX相的組元分布, 其中M位元素(赤橙色)已經(jīng)拓展到鑭系稀土, A位(天青色)添加了含未滿d電子的副族元素, X位(草綠色)則增加了硼元素

圖2 高分辨掃描透射電鏡照片顯示MAX(a)、i-MAX(b)和(c)o-MAX的原子排布[8,16-17]

MAX相晶體結(jié)構(gòu)中M1X單元層具有較強(qiáng)的共價(jià)鍵成分, 而A層原子與相鄰的M原子電子云重疊較低造成結(jié)合較弱, 研究人員利用這種結(jié)構(gòu)特點(diǎn)將M1X從MAX相中分離出來(lái), 合成了一大類二維過(guò)渡族金屬碳氮化物材料。2011年德雷克塞爾大學(xué)的Naguib等[18]利用氫氟酸刻蝕Ti3AlC2中的Al原子層,首次報(bào)道了具有Ti3C2T成分的二維片層材料, 其中T為T(mén)i3C2表面的基團(tuán)(一般為–O、–F、–OH等)?？紤]到其原子結(jié)構(gòu)和石墨烯中的碳原子堆積方式(空間群均為P63/mmc)相似, 研究人員分別從M1X和Graphene中取出關(guān)鍵詞, 將其命名為MXene[18]。MXene材料一經(jīng)報(bào)道便引起了科學(xué)界的廣泛關(guān)注, 被認(rèn)為在儲(chǔ)能、電磁屏蔽等領(lǐng)域都具有巨大的應(yīng)用潛力[19-21]。隨后, Ti2CT、V2CT、Ta4C3T、TiNbCT和Ti3CNT等MXene不斷地從對(duì)應(yīng)的MAX相材料中合成出來(lái)(A 位一般為Al 元素)[22-23]。瑞典林雪平大學(xué)的Rosen等[14, 24]通過(guò)刻蝕i-MAX相(Mo2/3Sc1/3)2AlC和(W2/3Sc1/3)2AlC分別得到了具有部分M原子空位的MXene:Mo1.33CT和W1.33CT, 體現(xiàn)了MXene晶體結(jié)構(gòu)的多樣性。此外, MXene在表面基團(tuán)化學(xué)多樣性以及性能調(diào)控方面也表現(xiàn)出潛力。除了–O、–F、–OH等表面基團(tuán)類型, 2019年發(fā)現(xiàn)了新型–Cl基團(tuán)[8,25], 這為通過(guò)改變表面基團(tuán)組成來(lái)調(diào)控MXene的性能提供了空間[26-27]。

1 材料合成方法

一般而言, MAX相大多通過(guò)粉末冶金法在高溫下合成, 典型的合成工藝為將組成元素粉末球磨混合后加壓成型, 然后加熱至反應(yīng)溫度(一般在1200 ℃以上)燒結(jié)成目標(biāo)MAX相陶瓷[4]。物理氣相沉積方法也是常用合成MAX相的手段[28], 該方法利用等離子體轟擊組成元素靶材形成高能氣態(tài)原子或帶電離子, 這些氣態(tài)粒子在磁場(chǎng)作用下均勻混合并沉積到基板材料上, 并反應(yīng)生成目標(biāo)MAX相的薄膜材料。物理氣相沉積過(guò)程中組成元素能夠在原子級(jí)別上實(shí)現(xiàn)均勻混合, 對(duì)于反應(yīng)動(dòng)力學(xué)即原子間的擴(kuò)散提供了較大的便利, 因此能夠顯著降低MAX相的生成溫度。例如物理氣相沉積一步合成V2AlC薄膜材料, 成相溫度可以降低至600 ℃[29]。MAX相反應(yīng)溫度的降低不僅對(duì)于工藝成本控制有幫助, 還擴(kuò)大了薄膜基板的選擇范圍。

長(zhǎng)期以來(lái), MAX相的A位元素一直局限于以Al、Si和Ga等為代表的主族元素, 而副族元素易與M位元素形成合金競(jìng)爭(zhēng)相, 因此較難得到A位含有副族元素的MAX相(Ti2CdC除外)。2017年, 瑞典林雪平大學(xué)的Per Eklund等[7]在Ti3SiC2薄膜表面沉積了一層Au薄膜, 并發(fā)現(xiàn)在高溫?zé)崽幚磉^(guò)程中Au原子能夠無(wú)限固溶進(jìn)入A位的Si原子層。通過(guò)Au-Si二元相圖的分析, 該Au-Si高溫固溶體在低溫下的平衡相分別為低固溶的富Si相和富Au相, 從而可以實(shí)現(xiàn)單元素的再次分離。Per Eklund等利用掃描透射電子顯微技術(shù)分析并發(fā)現(xiàn)MAX相中的Si原子大量進(jìn)入外部的Au層, 而Au則取代原有A位晶格位形成全新的MAX相材料Ti3AuC2。中國(guó)科學(xué)院寧波材料技術(shù)與工程研究所的黃慶等[8-9,30]近期則提出了一種基于高溫路易斯酸熔鹽中A位元素置換反應(yīng)的合成策略。該A位元素置換策略是利用MAX相M1X亞層與A層原子分別與路易斯酸反應(yīng)性不同的特點(diǎn), 在高溫熔鹽條件下將A位原子轉(zhuǎn)化為陽(yáng)離子并生成易揮發(fā)的氯化物, 同時(shí)路易斯酸中的陽(yáng)離子則被還原成金屬原子并嵌入原有的A位晶格位, 從而得到了一系列以Zn、Cu為A位元素的全新MAX相材料[8-9, 30]。元素置換過(guò)程保持了MAX相原有的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu), 并避免了M和A位原子生成競(jìng)爭(zhēng)相的可能?！白陨隙隆钡腁位元素置換策略有別于傳統(tǒng)的“自下而上”的粉末冶金法與物理氣相沉積合成法, 為新型MAX相的探索以及功能化設(shè)計(jì)提供了路徑。

探索環(huán)境友好的MXene的合成方法是推動(dòng)其廣泛研究和應(yīng)用的關(guān)鍵問(wèn)題。早期的MXene材料大多通過(guò)氫氟酸刻蝕MAX相得到。氫氟酸刻蝕法雖然簡(jiǎn)單有效, 但存在環(huán)境污染大、對(duì)人體有害和產(chǎn)業(yè)化成本高等問(wèn)題。因此, 研究人員不斷探索新的刻蝕劑, 包括NH4HF2溶液、NH4F、LiF和HCl混合溶液、熔融氟鹽以及有機(jī)堿等[31-32]?？梢钥闯鲆陨峡涛g劑大多為含氟體系, 且通常在有氧條件下刻蝕, 最終MXene材料表面基團(tuán)也以–O、–F、–OH等為主, 因此有必要開(kāi)發(fā)更靈活的刻蝕工藝來(lái)實(shí)現(xiàn)MXene材料的表面基團(tuán)與性能調(diào)控。黃慶等[8, 25]在A位元素置換策略合成全新MAX相工作中發(fā)現(xiàn), 通過(guò)調(diào)控ZnCl2熔鹽的路易斯酸堿性能夠同時(shí)實(shí)現(xiàn)MAX相的刻蝕, 并首次得到了全–Cl基團(tuán)的MXene(圖3)。該熔鹽路易斯酸刻蝕化學(xué)可一般化, 即當(dāng)高溫熔鹽具有合適氧化還原電位時(shí)均可以作為有效的MAX相刻蝕劑, 如ZnCl2、CuCl2等。這些新型的路易斯酸高溫熔鹽能夠?qū)Ω鼜V泛的MAX相材料進(jìn)行剝離, 如常規(guī)不易剝離的Ti3SiC2等[33]。相比于大多數(shù)含氟溶液刻蝕體系, 路易斯酸高溫熔鹽刻蝕技術(shù)具有組分豐富、熔點(diǎn)可調(diào)控、易于后處理等特點(diǎn), 在刻蝕動(dòng)力學(xué)調(diào)控、表面基團(tuán)控制等方面也更具化學(xué)調(diào)控優(yōu)勢(shì)。

圖3 氯化鋅熔鹽刻蝕MAX相制備MXene過(guò)程示意圖(a), 掃描電鏡照片顯示Ti3C2Cl2 MXene的微觀形貌(b)和高分辨掃描透射電鏡照片顯示Ti3C2Cl2 MXene的原子排布(c)[8]

2 性能與應(yīng)用

MAX相獨(dú)特的層狀晶體結(jié)構(gòu)是其高強(qiáng)度和高斷裂韌性的主要原因。以Ti3SiC2為例, 其室溫強(qiáng)度和1300 ℃高溫強(qiáng)度分別達(dá)到了600和260 MPa, 楊氏模量約為320 GPa[3]。與此同時(shí), Ti3SiC2具有層間撕裂和基礎(chǔ)面滑移等斷裂能吸收機(jī)制, 其斷裂韌性顯著高于普通陶瓷, 且具有室溫可加工性。同時(shí), Ti3SiC2陶瓷的室溫?zé)釋?dǎo)率和室溫電導(dǎo)率分別達(dá)到43 W/(m·K)和4.5×106S/m[3], 為金屬Ti的1.6和2.0倍, 為T(mén)iC的2.0和2.8倍。優(yōu)異的導(dǎo)電和導(dǎo)熱性質(zhì)使得MAX相材料在高溫電接觸應(yīng)用具有獨(dú)特的優(yōu)勢(shì)。此外, 部分MAX相中A位元素能夠在高溫氧化環(huán)境下快速擴(kuò)散至材料表面并形成致密氧化膜, 為氧擴(kuò)散進(jìn)入MAX相材料內(nèi)部提供了屏障。例如, TiC在500 ℃左右即開(kāi)始快速氧化, 而Ti3SiC2的氧化則相當(dāng)緩慢[34], 這與表面生成致密的含Si氧化物有關(guān)。Al系MAX相, 如Ti2AlC、Cr2AlC等, 則具有更優(yōu)的抗氧化性能, 其主要原因在于MAX相材料表面形成了連續(xù)的致密Al2O3層[35-36]。值得關(guān)注的是, MAX相材料近年來(lái)被認(rèn)為是下一代事故容錯(cuò)和燃料包殼涂層的優(yōu)選材料。前期大量高能離子模擬輻照和中子輻照研究均顯示MAX相材料表現(xiàn)出良好的耐輻照損傷性能[37-39]。研究表明, Ti3SiC2、Ti3AlC2和Ti2AlC等MAX相的中子輻照活性與SiC材料接近, 比Alloy 617型鎳基合金低3個(gè)數(shù)量級(jí)[40-41]。目前美國(guó)能源部和歐盟能源署均對(duì)MAX相材料的核能應(yīng)用給予了足夠的重視。

在MAX相功能應(yīng)用方面, 研究工作者對(duì)MAX相作為摩擦磨損器件[42]、電觸頭器件[43]和復(fù)合材料增強(qiáng)相[44]等多方面的應(yīng)用都進(jìn)行了探索, 并取得了較好的研究成果。MAX相結(jié)構(gòu)特點(diǎn)決定了A位原子能在M1X亞層提供的二維限域平面內(nèi)發(fā)揮出自身的功能特性。2017年, Per Eklund等[7]合成出Ti3AuC2, 并發(fā)現(xiàn)Ti3AuC2與SiC具有良好的歐姆接觸特性, 其高溫歐姆接觸穩(wěn)定性遠(yuǎn)高于Ti3AlC2, 這對(duì)于未來(lái)高功率半導(dǎo)體器件有很強(qiáng)的實(shí)用價(jià)值。利用A位元素置換策略合成的Ti3(AlCu1?x)C2材料中處于A平面內(nèi)的Cu原子能夠形成單原子催化活性位點(diǎn), 使MAX相表現(xiàn)出類納米無(wú)機(jī)酶的過(guò)氧化氫探測(cè)能力(圖4)[9],這在食品衛(wèi)生監(jiān)測(cè)等領(lǐng)域具有應(yīng)用潛力。此外, 如果能將磁性元素引入MAX相中空間受限的A位單原子平面內(nèi), 可望探索新穎的物理特性, 而已有的報(bào)道大多考慮將磁性過(guò)渡族金屬放入M位, 如Mn2GaC。最新的研究工作發(fā)現(xiàn)V2SnC材料的A晶格位具有很強(qiáng)的多元素容納能力, Fe、Co、Ni、Mn等磁性元素可以任意排列組合放入A位(可能達(dá)到15種以上), 甚至A位可以同時(shí)具有Sn和以上四種磁性元素的高熵MAX相[45]。普遍認(rèn)為具有外層d電子的磁性元素更適合處于MAX相的M晶格位, 而當(dāng)這些元素處于A晶格位時(shí)避免了X元素的成鍵影響, 更容易體現(xiàn)出其電子自旋相關(guān)的物理性質(zhì)。MAX相的能源存儲(chǔ)能力一直是材料科學(xué)家感興趣的話題, 實(shí)際上MXene也是MAX相儲(chǔ)鋰研究遇到困難之后無(wú)意發(fā)現(xiàn)后衍生的新材料。雖然如此, Gogotsi等[46]近期還是報(bào)道了Ti2SC和Ti3SiC2兩種MAX相材料的電化學(xué)儲(chǔ)能性質(zhì), 如Ti2SC的容量在電流密度為 400 mA?g–1下循環(huán)1000次之后仍可達(dá)到180 mAh?g–1左右。吉林大學(xué)高宇同Gogotsi合作[47]進(jìn)一步選擇Nb2SnC材料作為研究對(duì)象, 其容量在電流密度為 500 mA?g–1下循環(huán)500次后也達(dá)到了150 mAh?g–1, 顯示出MAX相作為電池電極具有的應(yīng)用潛力。氫能被認(rèn)為是目前最清潔的能源形式, 該領(lǐng)域主要受到低溫儲(chǔ)氫材料的制約。浙江大學(xué)劉永峰團(tuán)隊(duì)[48]嘗試將Ti3AlC2與MgH2混合, 并發(fā)現(xiàn)MgH2-7wt% Ti3AlC2材料體系的析氫溫度達(dá)到205 ℃, 較原始MgH2析氫溫度下降了近70 ℃, 并且兩相材料在 150 ℃下的儲(chǔ)氫能力提高到5.8wt%(MgH2僅為2.7wt%)。MAX相協(xié)同儲(chǔ)氫的機(jī)制目前還沒(méi)有詳細(xì)的研究, 已有學(xué)者計(jì)算了氫原子在MAX相中不同原子間的間隙位型(四面體、六面體或八面體)中存在的穩(wěn)定性及對(duì)MAX相結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性的影響, 這或許能為未來(lái)MAX相儲(chǔ)氫研究提供理論指導(dǎo)[49]。有理由相信, 隨著MAX相結(jié)構(gòu)與化學(xué)多樣性的日益豐富, 未來(lái)在磁性、催化和新能源等方面會(huì)涌現(xiàn)更多的應(yīng)用研究成果。

圖4 高分辨掃描透射電鏡照片顯示Ti3(AlxCu1?x)C2的原子排布(a)、Ti3(AlxCu1?x)C2探測(cè)過(guò)氧化氫機(jī)理示意圖(b)和Ti3(AlxCu1?x)C2與Ti3AlC2探測(cè)過(guò)氧化氫性能對(duì)比(c)[9]

具有類石墨烯二維納米結(jié)構(gòu)的MXene材料功能化研究越來(lái)越受到科研工作者的關(guān)注, 其豐富的表面化學(xué)為儲(chǔ)能、吸附、傳感、生物和催化等研究提供了廣闊的空間, 這部分工作的總結(jié)可參見(jiàn)近年來(lái)幾篇優(yōu)秀的綜述[50-53], 這里就不再贅述。需要指出的是MXene具有極佳的電磁屏蔽性能, 如2016年Koo和Gogotsi等[20]在上報(bào)道45 μm厚的Ti3C2T薄膜的電磁屏蔽系數(shù)達(dá)到92 dB, 引起了極大的關(guān)注, 該性能甚至優(yōu)于同厚度的金屬銅, 這和單層MXene的高導(dǎo)電性有很大的關(guān)系。該研究結(jié)果有望用于高功率應(yīng)用裝備(如5G及以上通訊設(shè)備等)中的濾波器件, 也可應(yīng)用于微波屏蔽和隱身涂層等特殊場(chǎng)合。對(duì)于MXene的功能應(yīng)用, 應(yīng)該特別重視的問(wèn)題是MXene材料的結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性。由于外層M元素有未成對(duì)電子, 氧化性物質(zhì)易攻擊MXene表面和邊緣的M元素, 造成二維納米結(jié)構(gòu)的崩潰。最新的科研進(jìn)展顯示聚磷酸根、聚硅酸根、聚硼酸根、L-抗壞血酸鈉等材料能較好地延緩MXene的氧化, 并保持MXene的結(jié)構(gòu)完整性和導(dǎo)電性[54-55]。除了上述長(zhǎng)時(shí)間儲(chǔ)存的要求, 未來(lái)的研究可以更多地考慮MXene在服役過(guò)程中的氧化和結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性問(wèn)題。

3 總結(jié)與展望

MAX相材料近年來(lái)在結(jié)構(gòu)多樣化與組分多元化等方面呈現(xiàn)出新的研究熱點(diǎn), 這對(duì)于MAX相陶瓷材料結(jié)構(gòu)與功能一體化研究有極大的裨益。稀土元素和過(guò)渡族元素分別進(jìn)入M和A位將深刻改變MAX相內(nèi)部的電子云分布和成鍵形式, 將直接影響材料力學(xué)行為、物理特性和化學(xué)反應(yīng)性。MAX相衍生二維材料MXene的發(fā)展則吸引了多學(xué)科的研究者關(guān)注這一大家族過(guò)渡族金屬碳氮化合物。化學(xué)、物理、生物和工程等領(lǐng)域多學(xué)科交叉研究勢(shì)必推動(dòng)MAX相和MXene材料更快的發(fā)展。未來(lái)3~5年, 科學(xué)界有望在諸多方面取得更多的突破, 尤其是以下四個(gè)方向值得關(guān)注：

1) i-MAX和o-MAX等新型結(jié)構(gòu)的解析與應(yīng)用研究, 尤其是稀土元素對(duì)于MAX相性能的調(diào)控和拓展值得關(guān)注；

2) 副族元素尤其是外層d電子未滿的過(guò)渡族金屬元素占據(jù)MAX相A位有望推動(dòng)MAX相從結(jié)構(gòu)應(yīng)用轉(zhuǎn)向功能應(yīng)用研究, 特別是在核燃料包殼、能源轉(zhuǎn)換、氫能存儲(chǔ)、磁性器件、化工催化等領(lǐng)域有望取得突破；

3) MXene合成技術(shù)面臨更多的挑戰(zhàn)以應(yīng)對(duì)儲(chǔ)能、光伏、生物、電子、傳感等應(yīng)用領(lǐng)域的實(shí)用需求, 微納結(jié)構(gòu)構(gòu)筑和多功能組元的協(xié)同作用仍然是未來(lái)研究的熱點(diǎn)；

4) MXene在物理領(lǐng)域的研究方興未艾, 在壓電效應(yīng)、壓阻效應(yīng)、熱電效應(yīng)、自旋電子相關(guān)效應(yīng)等研究領(lǐng)域都有可能發(fā)現(xiàn)新現(xiàn)象和新的應(yīng)用, 在任意基板上生長(zhǎng)高質(zhì)量單晶MXene材料和元素的精確調(diào)控仍然是物理原型器件研究的最大挑戰(zhàn)。

MAX相作為一大家族材料, 目前已經(jīng)發(fā)現(xiàn)有80余種單相材料, 固溶型或部分取代型更是不勝枚舉。MXene的種類也因MAX相的深厚土壤而變得更加豐富。MAX相和MXene的發(fā)現(xiàn)和發(fā)展極好地體現(xiàn)了150年前門(mén)捷列夫開(kāi)始繪制的元素周期表給予人類探索新材料的指導(dǎo)作用, 也充分體現(xiàn)了多組元元素在一定規(guī)則下形成特定晶體結(jié)構(gòu)的豐富性。隨著多學(xué)科的共同努力, 相信MAX相和MXene材料將展現(xiàn)出更多新奇的特性和應(yīng)用潛力。

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Recent Progress and Prospects of Ternary Layered Carbides/Nitrides MAX Phases and Their Derived Two-dimensional Nanolaminates MXenes

LI Mian, HUANG Qing

(Engineering Laboratory of Advanced Energy Materials, Ningbo Institute of Materials Technology& Engineering, Chinese Academy of Sciences, Ningbo 315201, China)

In recent years, ternary layered carbide/nitride MAX phases and their derived two-dimensional nanolaminates MXenes have attracted extensive attention. The crystal structure of MAX phase is composed of M1Xunit interleaved with layers of A element. MAX phases combine good properties of metal and ceramic, which makes them promising candidates for high temperature structural materials, friction and wear devices, nuclear structural materials,. When etching the A-layer atoms of the MAX phase, the two-dimensional nanolaminates with the composition of M1XT(Tis surface termination),MXene, is obtained. MXenes have wide range of composition, and tunable physical and chemical properties, which endow them great potential in the applications of energy storage devices, electromagnetic shielding materials, and electronic devices,. In this paper, the research progress of MAX phase and MXene was introduced in terms of composition and structure, synthesis methods, and properties and application. Furthermore, the research prospects of this large family of materials were discussed.

MAX phase; MXene; layered materials; review

TQ174

A

1000-324X(2020)01-0001-07

10.15541/jim20190560

2019-11-01;

2019-11-13

國(guó)家自然科學(xué)基金(21671195, 51902320) National Natural Science Foundation of China (21671195, 51902320)

李勉(1989–)，男，博士. E-mail: limian@nimte.ac.cn

LI Mian(1989–), male, PhD. E-mail: limian@nimte.ac.cn

黃慶，研究員. E-mail: huangqing@nimte.ac.cn

HUANG Qing, professor. E-mail: huangqing@nimte.ac.cn