MAX相，一类具有六方晶格结构的纳米层状过渡金属化合物，分子式为M_n+1AX_n，(其中M为前过渡族金属，A主要为ⅢA和ⅣA族元素，X为碳或/和氮，n=1-3)。MAX相材料的晶体呈六方对称性，空间群为P63/mmc，由M_n+1AX_n单元与A原子层交替堆垛而成，目前已报道的MAX相约有150余种。MAX相材料兼具金属和陶瓷的性质，如良好的导电导热性，优异的抗热震性和损伤容限，良好的抗氧化性和耐腐蚀性，以及易加工等特性，在高温电极、摩擦磨损等领域作为高安全结构材料有着广阔的应用前景。因此，目前对于结构与功能一体化的新型MAX相材料创制已经成为国际上该领域的前沿问题。近期宁波材料所先进能源材料工程实验室通过A位元素置换策略，合成了一系列A位为Zn的MAX相（J. Am. Chem. Soc. 2019, 141, 4730-4737），揭示了后过渡族金属在MAX相单原子A层存在的可行性。Cu元素与Zn等后过渡金属元素一样，最外层d轨道电子尚未填满，可以预测Cu的引入可以使传统MAX相结构材料具有更多d电子相关的功能性，如催化、生物标记、传感等。然而迄今为止还没有有效的合成方法实现Cu原子在MAX相材料A位单原子层间的精确控制。

       中科院宁波材料所先进能源材料工程实验室利用“A-Site-Replacement Reaction”策略，研究发现Cu原子在Ti₃AlC₂ MAX相A位单原子二维平面内显示出一定程度的有序排列，并通过Cu-Al二元相图对其形成机制进行了讨论。理论分析表明Cu原子在A位层间与Ti₃C₂亚层结合较弱，但被高电导的Ti₃C₂亚层有效隔离，因此可望在单原子催化中发挥作用。实验表明，这种Cu原子占位的MAX相可通过催化双氧水分解氧化3,3',5,5'-四甲基联苯胺 (TMB)形成蓝色溶液，体现出优异的类酶催化活性，且在高温下仍然保持催化活性和催化稳定性。实验室和宁波大学等团队合作将该类酶催化特性的新型MAX相材料组装为电化学生物传感器。相比传统的Cu，Au，Pt，Ag 等纳米颗粒，该MAX相传感器在检测H₂O₂上其具有线性范围宽、检测极限低（0.06 μM）和灵敏度高的优点，在食品安全、肿瘤治疗等领域有很好的应用前景。

       相比于上述Ti₃(Al_xCu_1-x)C₂ MAX相A位Cu的部分置换，如何制备得到A位为纯Cu的新型MAX相材料则是一个更为严峻的挑战，世界上迄今为止还没有合成出这类MAX相材料。从Cu-Al平衡相图来预测，MAX相中的Al原子应该无法完全被Cu原子置换，然而考虑到A位单原子实际上还受到MX层的二维空间限域作用影响，元素置换反应还有丰富的可调谐性。先进能源材料工程实验室通过选取Ti2AlN作为MAX相前驱体实现了高比率Cu置换的新型MAX相Ti₂(Al_0.1Cu_0.9)N，在其后使用Nb₂AlC 作为MAX相先驱体材料最终成功制备出A位完全Cu置换的MAX相Nb₂CuC。以上工作不仅显示出A位元素置换策略在MAX相新材料创制上的有效性，并且体现了MAX相丰富的结构可能性和功能拓展性。

    以上工作发表在国际材料期刊《ACS Nano》（2019, 13, 9198-9205）和《Materials Research Letters》（DOI：10.1080/21663831.2019.1672822）上，申请中国发明专利1项（CN201810751944.0）。本项研究得到国家自然科学基金（21671195, 21805295, 21875271）的资助。

图一，扫描透射电子显微技术结构和成分分析揭示出高原子序数Cu原子进入Ti₃AlC₂相Al原子层中并体现出一定的结构有序性

图二，晶格原子结构示意图显示Cu原子在MAX相中被MX层天然隔离并体现出良好的类酶催化活性

图三，具有原子分辨的扫描透射电子显微镜技术证实成功合成出首个A位为Cu原子的MAX相材料Nb₂CuC