图 “化学剪刀”辅助的层状过渡金属碳化物的结构编辑策略示意图
在国家自然科学基金项目（批准号：91426304、21671195、52250005）资助下，中国科学院宁波材料所黄庆研究员团队与海外合作者成功开发出一种“化学剪刀”辅助的层状过渡金属碳/氮化物结构编辑策略，实现了层状过渡金属碳/氮化物结构拓扑转变及组分精准调控，并创制出一类金属原子插层型二维碳化物新材料。研究成果以“化学剪刀调控层状过渡金属碳化物结构编辑（Chemical scissor-mediated structural editing of layered transition metal carbides）”为题，于2023年3月17日在线发表在《科学》（Science）期刊。论文链接：https://www.science.org/doi/10.1126/science.add5901。
三元层状碳/氮化合物是一类具有六方晶体结构的非范德华纳米层状化合物，分子式为Mn+1AXn。MAX相晶体在先进核能事故容错型核包壳等应用领域受到广泛关注。MXene在光电器件、电化学储能、电磁屏蔽、表面催化和核素分离等领域展现出极大的应用潜力。如何精确调控MAX相和MXene材料二维层间的组分和结构成为制约其实现特定功能应用的重大挑战。
研究团队在“先进核裂变能的燃料增殖与嬗变”重大研究计划等基金项目的支持下，一直致力于三元层状碳/氮化物的创制与核能等领域的应用研究。团队研究表明，非范德华力层状材料层间的打开和闭合完全由“化学剪刀”和客体种类性质而定，而MAX相和MXene之间的拓扑转变可精细化地由四个反应路径完成（图）。MAX相按照“路径I→路径IV→路径III→路径II”拓扑转变顺序多次层间刻蚀和结构组装之后，最终得到一种新型的金属插层型二维碳化物材料。研究工作为该类层状材料的应用（如事故容错型核用包壳、电化学储能、光电功能器件等）提供有效的结构设计手段。