近年来, 三元层状碳氮化合物(MAX相)及其衍生二维纳米材料MXene受到了科学界的广泛关注。MAX相的晶体结构由M_n+1X_n结构单元与A元素单原子面交替堆垛排列而成, 兼具金属和陶瓷的诸多优点, 在高温结构材料、摩擦磨损器件、核能结构材料等领域有较大的应用潜力。MAX相的A层原子被刻蚀之后获得成分为M_n+1X_nT_x(T_x为表面基团)的二维纳米材料, 即MXene, 具有丰富的成分组合以及可调谐的物理化学性质, 在储能器件、电磁屏蔽、电子器件等领域表现出良好的应用前景。本文简要介绍近年来国内外MAX相和MXene材料领域在成分与结构、合成方法、性能与应用研究等方面的研究动态, 据此展望未来几年该类新颖材料的发展方向。

气体膜分离技术是过滤与分离工业的重要技术之一, 相比于传统分离技术更加高效、节能、环保。新型无机二维材料在分离膜领域的应用, 有望同时实现高选择性和高渗透率, 突破商业聚合物膜渗透率和选择性相互制约的瓶颈, 极大地促进高性能分离膜的发展。本文简述了膜的气体分离机制, 综述了石墨烯基、过渡金属硫族化物(TMDs)和二维过渡金属碳化物/氮化物(MXene)等新型无机二维材料近年来在气体分离膜领域的研究进展, 包括其设计、制造和应用, 探讨了不同材料分离膜的特点、面临的挑战和发展前景。此外, 本文对其他新兴二维材料——层状双氢氧化物(LDHs)、六方氮化硼(h-BN)、云母纳米片等的分离膜研究也进行了概述。最后, 对新型无机二维材料在气体分离膜领域的研究方向及面临的挑战作出了评价。

二维材料以其丰富多样的性能受到广泛关注。该类材料具有极高的比表面积, 可以作为光催化剂和电催化剂, 在环境领域和可再生能源领域具有较大的开发和应用前景。本文综述了三种新型二维材料的结构性能, 即二维过渡金属碳/氮化物(MXenes)、类石墨相氮化碳(g-C₃N₄)以及黑磷(BP)在光催化或电催化领域的研究进展及改性方式; 对二维材料催化性能的改性进行了总结, 并展望了今后的研究方向。

随着可穿戴柔性电子技术的发展, 高灵敏度和宽感应范围的柔性力敏传感器的需求量逐渐增大, 如何选择兼具高导电性和良好柔性的材料作为传感器的敏感材料是获得高性能传感器的关键。近年来, MXene材料因其导电性好、柔韧性高、亲水性好以及合成可控等优点成为一种极具潜力的导电敏感材料。本文就MXene基柔性力敏传感器的类型、敏感材料的微结构设计方式、传感性能及传感机理等方面的研究进展进行了阐述和总结。

高强电磁屏蔽薄膜材料在柔性器件、汽车电子和航空航天等领域具有广泛应用前景, 受珍珠母微纳米结构及其优异机械性能的启发, 利用简单的溶液共混及真空抽滤方法, 将纤维素纳米晶(CNC)和MXene混合, 经层层组装制备了高性能MXene基复合薄膜。结果表明: 薄膜的机械性能有了显著提高, 拉伸强度从18 MPa提高到57 MPa, 韧性从70 kJ/m ³提高到313 kJ/m ³, 同时保留了复合薄膜的高电导率(10 ⁴ S/m)和优异的电磁屏蔽性能, 厚度8 μm时可达40 dB以上。

连续纤维增韧陶瓷基复合材料(Ceramic Matrix Composites, CMCs)因其优异的性能在航空发动机、空天飞行器热防护系统、核能电站等领域具有广泛的应用前景。现阶段, CMCs的应用已由单一结构承载向多功能一体化发展。MAX相是一类能够发生塑性变形的三元层状陶瓷, 具有高导电、抗辐照和抗烧蚀等优异性能, 将其引入CMCs可实现强韧化与抗辐照/抗烧蚀/电磁屏蔽效能的协同提高, 满足多功能一体化CMCs的应用需求。本文综述了MAX相作为CMCs界面相和基体相的研究进展, 阐述了其设计机理, 并展望了MAX相在CMCs中的应用前景。

本工作采用真空热压烧结的方法, 研究Mo₂Ga₂C粉体的烧结性能, 制备致密的Mo₂Ga₂C块体材料, 并且表征所制备材料的微观结构。实验发现750 ℃是合适的烧结温度, 过高的烧结温度(850 ℃)会导致样品分解, 主要产物为Mo₂C。在750 ℃烧结过程中, 随着烧结时间的延长, 样品的晶粒没有明显长大, 但是样品内部空隙显著变小, 内部织构增强, 相对密度明显提高。因为Mo₂Ga₂C晶体的片状结构, 热压烧结过程中, 部分片状晶粒会偏转, 导致烧结样品的多数晶粒的(00l)晶面会倾向垂直于热压方向。在750 ℃烧结8 h, 可以得到几乎完全致密(相对密度98.8%)的Mo₂Ga₂C块体材料。

采用等通道转角挤压(Equal Channel Angular Pressing, ECAP)并结合热处理制备了Ag/Ti₃AlC₂复合材料。通过XRD、SEM分析物相和形貌, 探讨了不同热处理条件下Ag/Ti₃AlC₂材料的电阻率和力学性能。结果表明: 采用ECAP可以明显致密化Ag/Ti₃AlC₂疏松坯体, 且在ECAP的剪切作用下, 层片状Ti₃AlC₂颗粒沿基面分层并按一定方向排列。Ti₃AlC₂的定向排列使材料性能呈现各向异性: 垂直于Ti₃AlC₂排列方向时, Ag/Ti₃AlC₂材料的电阻率和压缩强度更高。后续热处理提升了Ag/Ti₃AlC₂的电阻率和压缩强度, 并发现在800 ℃时增幅显著。这主要归因于Ag与Ti₃AlC₂在高温下明显增强的界面反应。本研究表明采用ECAP方法可以在致密化Ag/MAX复合材料的同时调控其显微组织, 而结合热处理可以进一步调控界面反应并优化材料性能。

MAX相是一类兼具金属和陶瓷特性的三元层状材料, 也是合成二维MXenes的前驱体材料。理论预测稳定的三元层状MAX相材料约有600余种, 目前实验合成的三元层状MAX相材料已有80余种, 但M位主要为前过渡族金属, 而对M为稀土元素的三元MAX相鲜有报道。本研究以Sc、Sn, 和C元素粉为原料, 通过熔盐法合成了M位为稀土元素Sc的全新Sc₂SnC MAX相材料。结合X射线衍射、扫描电子显微镜和X射线能谱等分析手段, 确认Sc₂SnC MAX的相组成和微观结构。并通过密度泛函理论计算了Sc₂SnC MAX相的结构稳定性、晶格参数、力学和电子性质, 理论计算结果表明Sc₂SnC热力学稳定, Sc-3d电子在费米能级上占主导地位, MAX相呈金属性质。

本研究通过使用相图计算(Calculation of Phase Diagrams, 简称CALPHAD)耦合第一性原理计算的方法, 以相图作为判断依据, 探究Ti₃AuC₂、Ti₃IrC₂、Ti₃ZnC₂和Ti₂ZnC新型MAX相在不同温度下的热力学稳定性。使用相图计算(CALPHAD)方法建立起研究体系的热力学数据库, 耦合第一性原理得到的新型MAX相生成焓数据, 最终得到包含新型MAX相的三元相图。研究结果表明Ti₃AuC₂、Ti₃IrC₂、Ti₃ZnC₂和Ti₂ZnC的MAX相具有很好的热力学稳定性, 与实验结果吻合。本研究为确定新型MAX相的热力学稳定性提供了系统的研究方法, 可应用于指导合成更多未知的MAX相材料。

本研究合成了具有垂直栅栏结构的二维MXene材料, 与辣根过氧化物酶进行固定, 构筑了过氧化氢电化学酶传感器。合成的MXene纳米栅栏具有大的比表面积, 优良的电子传导特性和在水溶液中的良好分散特性; 固定化在酶电极上的辣根过氧化物酶分子表现出了优良的过氧化氢催化效果。结果表明HRP@MXene/chitosan/GCE酶电化学传感器在过氧化氢浓度为5~1650 μmol/L范围内表现出很好的线性关系, 最低检测限为0.74 μmol/L, 且具有很好的操作稳定性, 该生物传感器被成功地应用于固态与液态食品中过氧化氢残留检测。

为探索界面工程对二维材料范德华异质结构中载流子复合率的影响, 本工作基于界面键弛豫理论和费米黄金定则, 建立了范德华异质结俄歇和层间复合率与各结构组元尺寸之间的理论模型。结果表明, MoS₂/WSe₂异质结的俄歇复合寿命随着组元尺寸的增大而增加, 且异质结的俄歇复合率远小于相应的单组元体系。在MoS₂/WSe₂双层异质结中引入薄h-BN插层后, 体系的层间复合率和俄歇复合率随h-BN厚度的增加而分别呈现减小和增大的趋势; 在组元处于单层MoS₂和WSe₂情况下, 当界面插层h-BN厚度达到9.1 nm时, 俄歇复合率将趋于5.3 ns ^-1。该研究结果为二维过渡金属硫族化合物基异质结光电器件的优化设计提供了一种理论依据。

人口的快速增长和工业经济迅猛发展导致全球淡水资源短缺, 对海水和苦咸水进行淡化是解决淡水资源短缺的有效方法。本工作通过直接煅烧Ti₃C₂T_x制备了TiO₂/Ti₃C₂T_x复合材料, 并研究了基于TiO₂/Ti₃C₂T_x复合电极的杂化电容脱盐特性(Hybrid capacitive deionization, HCDI)。研究表明, 煅烧温度对TiO₂/Ti₃C₂T_x的形貌、结构、电化学和脱盐特性有重要影响。以优化后的TiO₂/Ti₃C₂T_x作为负极, 酸化活性炭(Active carbon, AC)为正极, 构筑了HCDI装置。在恒压模式下, 当工作电压为1.2 V时, TiO₂/Ti₃C₂T_x‖AC在初始电导率为3000 μS·cm ^-1的NaCl溶液中的脱盐容量达到23.8 mg·g ^-1。经过20个循环后容量保持率为78%。此外, 通过研究TiO₂/Ti₃C₂T_x复合电极脱盐前后的形貌和晶相发现在脱盐过程中钠离子嵌入到Ti₃C₂T_x的层间。