MXenes是什麼?
MXenes——發音為“max-eens”——於2011年首次被發現，是一種陶瓷，包含了最大的二維(2D)材料家族之一。
MXenes是由一種叫做MAX的大塊晶體製成的。在這一發現之前，從MAX或非MAX相派生的二維層狀材料沒有被預測存在。與大多數二維陶瓷不同，MXenes具有良好的導電性和優異的容量電容，因為它們是由過渡金屬(如鈦)的碳化物和氮化物製成的分子薄片。MXenes已經發現了從能源儲存到醫藥和光電子的廣泛應用。
MXenes之所以如此有趣，是因為這種材料可以由數百萬種過渡金屬(如鉬或鈦)、碳和氮的可能排列形式中的任何一種組成。關鍵是要找到穩定的。
通過使用高通量計算平台並掃描數百萬種合金構型的形成能量，研究人員估計還有超過100萬種穩定的MXene化合物有待發現(ACS Nano，跨成分和溫度的MXene合金有序結構的高通量調查）.
馬克斯階段
三元碳化物有一個大家族(三元是一個形容詞，意思是“由三個組成的”)，一般的公式是Mn + 1斧頭n，其中n = 1ñ3, M表示過渡金屬，a是鋁或矽等元素，X是碳或氮。研究人員稱這些陶瓷具有延展性和可加工性馬克斯階段．
由於它們的分層結構，這些材料在變形過程中扭結和分層，也表現出不尋常的，有時是獨特的特性組合;他們不確定自己想做金屬還是陶瓷。雖然它們像金屬一樣導熱和導電，但它們像陶瓷一樣具有彈性、堅固、易碎和耐熱性。它們抗化學攻擊，易於加工，熱衝擊，耐損傷，有時疲勞，蠕變和抗氧化。
MXene發現
二維(2D)結構，比如石墨烯和二硫化鉬，都有獨特的性質。因此，擁有一個新的具有廣泛化學性質的二維結構家族，可以為更好地理解二維和三維材料之間的性質差異打開大門，從而識別二維碳化物、氮化物、氧化碳化物和其他相關結構的有用性質，並最終帶來新的應用。
馬克斯階段經過多年的研究，合成了幾十種不同性質的層狀碳化物、氮化物和碳氮化物。
然而，這些陶瓷一直是作為三維材料生產的，直到研究人員將鈦鋁碳化物(Ti3.酒精度2)粉末在氫氟酸室溫下選擇性去除鋁。這個化學過程的結果——被稱為剝離——本質上展開了層狀碳化物材料，產生了二維鈦3.C2納米片，後來被發明出來MXene作為石墨烯的近親。
2011年的一篇論文先進材料（“鈦剝離產生的二維納米晶體。3.酒精度2＂)，研究人員首次證明了這種將三維鈦鋁碳化物(MAX相的典型代表)轉化為具有極大不同性質的二維結構的能力。
如何製作MXene
MXenes是通過選擇性地從層狀MAX相中去除鋁而生成的。通過這個剝離過程，碳化物層被分離成兩個隻有幾個原子厚的MXene片。MXenes可以通過一種稱為插層的過程在它們的層之間容納各種離子和分子，這有時是為了利用materialsí獨特的特性所必需的步驟。
例如，將鋰離子放置在MXene片之間已被證明使其成為鋰離子電池和電化學電容器的有前途的材料。
為了合成獨立的MXene薄片，來自德雷塞爾大學的一個研究團隊從2011年開始使用酸改進了他們的初始技術，他們稱之為最低強度層分層(MILD)。他們用氟化物鹽和鹽酸蝕刻劑處理大塊MAX，選擇性地從碳化鈦層之間去除不需要的鋁層。
然後，他們手動搖動蝕刻材料，分離和收集碳化鈦層。每一層有5個原子厚，由碳原子結合3片鈦片組成。蝕刻和去角質MAX產生許多這種獨立的MXene層。這種相對簡單的技術可以實現製造規模的生產。
從那時起，不斷的探索揭示了它們在儲存能量、阻擋電磁幹擾、淨化水甚至抵禦細菌方麵的非凡能力。而且，正如最近的研究表明，MXenes也非常耐用-是同類中最堅固的材料。
雖然有許多可能的MXene合金成分，但大多數都不穩定。材料科學家麵臨的挑戰一直是如何有效地從大量的合金結構中篩選出形成能量最低、因而穩定性最高的合金結構。傳統的ëfirst principlesí計算方法計算量太大，這樣的掃描是不可行的。
一個高通量掃描MXenes的可能成分，為研究人員從數百萬可能的材料配方中挑選最佳候選材料提供了寶貴的方向。
MXene的用途和應用
MXene可用於鋰離子電池電極、偽電容器等儲能器件。研究人員還設想將其用作複合材料的增強劑，類似於粘土或石墨烯，可以提高聚合物的機械性能，降低其透氣性。多種表麵化學，過渡金屬氧化物的存在和高表麵積使MXene具有潛在的催化應用吸引力。
海水淡化和廢水處理
為了研究水淨化的MXeneís種可能性，研究人員製作了一種薄而柔韌的鈦3.C2含有聚苯乙烯熱屏障的膜，以防止熱能逸出。這創造了一個係統，可以漂浮在水麵上，蒸發一些水，在自然陽光的照明水平下，有84%的效率。
電池技術和能量儲存
計算研究表明，完全去角質或分層，某些MXenes將產生具有特殊充電能力的層，用於電池陽極。在一份報告中，科學家們證明了MXene與包括二甲基亞碸(DMSO)在內的幾種有機分子成功插入，這使它們能夠完全剝離堆積的層，形成MXene薄片，並最終生成MXene“紙”通過過濾溶液中的薄片。
這種柔性導電紙的鋰離子容量是典型MXene材料的4倍，充電率極高，可循環性優於商用鋰離子電池中使用的石墨。重要的是，這項工作證明了這種材料可以大規模合成。
研究人員還開發了MXene材料的新電極設計這將使電池充電更快。他們的設計可以使像電池這樣的能量存儲設備，被看作是能量存儲技術中緩慢行進的油罐車，就像在緊要關頭提供能量的高速超級電容器一樣快——通常作為電池備份或為相機閃光燈等東西提供快速爆發的能量。
摩擦電王中林教授
研究人員已經證明MXenes可以用於收獲浪費的摩擦能例如，打字或走路時肌肉收縮。MXenes具有高導電性和與聚合物和其他材料接觸時吸收電子的能力。
這種不同尋常的特性組合使它們成為摩擦電納米發電機(TENG)的組件，可以將肌肉運動轉化為電能。這項研究表明，這些先進的材料可以被應用到手機、手持電子設備、可穿戴設備和筆記本電腦中，最終使它們能夠自我供電。
導電塗料
MXenes已被用於開發機械堅固性導電塗層它可以在劇烈的拉伸和彎曲下保持性能。本研究利用了MXene多層塗層可以在保持高導電性的同時承受大規模機械變形的事實。在這項工作中，研究人員還成功地將MXene多層塗層沉積在柔性聚合物片材、可拉伸矽樹脂、尼龍纖維、玻璃和矽上。
傳感器和化學鼻子
MXene似乎是其中最敏感的氣體傳感器報道。這項研究意義重大，因為它擴大了普通氣體的檢測範圍，使我們能夠檢測到以前無法檢測到的極低濃度氣體。
研究結果表明，MXene可以以比目前在醫學診斷中使用的傳感器低得多的痕量檢測出潰瘍和糖尿病的化學物質，如氨和丙酮。
與傳統傳感器材料相比，MXene的優勢在於其多孔結構和化學成分。這種材料既能讓氣體分子在其表麵移動，又能吸附某些被化學吸引的氣體分子，顯示出良好的選擇性。