MXenes是一类二维过渡金属碳/氮化物，化学通式可以由M_n+1XnT_x表示。其中，M为过渡金属，X为C或N，Tx表示最外层金属表面基团。自2011年首次报道之后，MXenes领域在合成、表征和应用等方面得到广泛的研究。近日，中科院宁波材料所黄庆研究员应《ACS Nano》副主编、美国德雷赛尔大学Yury Gogotsi教授的邀请，联合撰写了社论（Editorial）文章“MXenes: Two-Dimensional Building Blocks for Future Materials and Devices”，对近年来MXene材料的研究亮点和发展趋势进行了评论。

       社论文章系统总结了MXenes的发展历程，指出了MXenes能够从众多二维材料中脱颖而出的原因：如优异的金属导电性质（可达20000 S/cm），较高的强度和刚度，规模化的合成技术，较好的环境稳定性和生物相容性等等。同时，MXenes与其它二维材料相比具有丰富的元素组成和表面化学行为，在储能、电催化、透明导体与加热器、光子与光电设备、光热治疗、光催化、表面增强拉曼光谱等领域具有应用前景。

       社论文章重点指出了MXene材料的表面化学多样性，并介绍了中科院宁波材料所团队提出的路易斯酸熔盐刻蚀技术及其对MXenes表面基团的设计与调控的作用。理论和实验研究均发现，MXenes的物理和化学性能与其化学组成和表面基团的构型有很大的关系。然而，受制于溶液法合成的局限性，合成具有相同表面基团的MXenes一直是一大挑战。路易斯酸熔盐刻蚀技术能够获得表面为卤素基团的MXenes材料（J. Am. Chem. Soc., 2019, 141, 4730−4737；Nat. Mater., 2020, 19, 894−899），并且通过熔盐的选择和阴离子取代技术可以获得硫属和胺根等常规酸刻蚀无法实现的基团。该方法一经报道受到本领域诸多科研团队的关注和广泛采用，如这些具有卤素基团的MXenes作为锌离子电池负极材料展现出色的电化学性能（Energy Environ. Sci., 2021,14, 407−413），带有硫属基团的Nb₂C首次发现具有超导性质（Science, 2020, 369, 979−983）。

       社论文章展望和分析了未来10年（2021-2030年）MXenes研究面临的挑战和机遇。该部分内容是2020年9月11-14日在中国浙江宁波召开第三届国际MXene会议期间，由黄庆研究员和Yury Gogotsi教授向全世界本领域知名科学家和600余名参会者征集和凝练而成，基本反映了本领域研究所关注的重点方向。其中包括：（1）发展环境友好的、安全、高效、规模化合成方法；（2）利用二维MXenes作为纳米构成要素发展具有取向的、复合的三维纳米结构；（3）提高MXenes材料的化学和温度稳定性；（4）电、光、磁、热、热电性能和量子局域效应；（5）表面化学控制；（6）开发大尺寸、大面积单晶的MXenes薄膜；（7）开发自组装技术合成取向、层间距可控的MXenes薄膜；（8）探索Ti₃C₂T_x外的其他MXenes；（9）开发具有除了O、OH或卤素等表面基团外的其他MXenes材料和方法，并实现相互转换；（10）探知MXenes纳米片间局域离子和分子的迁移和键合对MXenes性能和应用的影响；（11）探知MXenes在水系和非水系电解质储能器件中的储能机制；（12）利用MXenes提高陶瓷、金属、高分子基复合材料的力学性能；（13）缺陷对性能的控制；（14）开发表面基团控制的物理性能（比如超导）；（15）探知不同过渡金属和表面基团的MXenes对健康和环境的安全性或毒性；（16）利用MXenes作为前驱体合成其他材料；（17）为非Ti3C2Tx的MXenes开发无有机插层剂的剥离方法，以提高电导率和其他性能；（18）利用非Al的MAX相合成MXenes；（19）利用化学气相沉积或者物理气相沉积在真空环境合成无表面基团的MXenes；（20）探知MXenes薄膜层间的电荷转移机制和控制方法等共计32个挑战。

       《ACS Nano》期刊在发表社论文章的同期也编辑出版了首个MXene虚拟期刊（pubs.acs.org/page/ancac3/vi/mxenes?ref=vi_collection）。该虚拟期刊优选了49篇从2012年以来围绕“能源存储”、“传感与器件”、“催化”、“电磁波干扰”、“生物与复合材料”和“合成、工艺和结构”等领域MXene研究的重要进展工作。

       以上工作发表于《ACS Nano》（2021, 15, 5775-5780），黄庆研究员得到了中科院对外合作重点项目、浙江省领军型创新创业团队、宁波市顶尖人才团队等经费支持。

图1    MXene材料的组成元素在元素周期表中的分布及其主要四种晶体结构

图2    （a）路易斯酸熔盐刻蚀法合成MXene材料示意图，（b）扫描透射电子显微技术揭示MXene材料具有氯表面基团