MAX/MAB相是一类非范德华三元层状材料, 具有丰富的元素组成和晶体结构, 兼具陶瓷和金属的物理性质, 在高温、强腐蚀、辐照等极端环境中极具应用潜力。近年来, 由MAX/MAB相衍生的二维(2D)材料(MXene和MBene)在材料物理与材料化学领域引起了广泛兴趣, 已经成为继石墨烯和过渡金属硫族化合物之后最受关注的二维范德华材料。MAX/MAB相材料结构调控不仅对这类非范德华层状材料本征性能产生重要影响, 而且对其衍生的二维范德华材料结构功能特性研究也具有重要价值。本文归纳和总结了MAX/MAB相层状材料在结构调控、理论计算和应用基础研究等方向的最新科研进展, 并展望了该类层状材料未来发展方向。

纳米TiO₂具有高催化活性、高化学稳定性、成本低廉和安全无毒等优势, 是目前广泛使用的一类光催化剂, 但较大的禁带宽度和较高的光生电子-空穴复合速率使其光子利用率偏低。本研究利用微刻蚀法设计合成了二维TiO₂纳米片, 并进一步与Ru复合, 构建了三明治结构Ru@TiO₂高效光催化剂。采用不同表征手段研究了三明治结构Ru@TiO₂的表面形貌、电子结构、光电特性和光降解盐酸四环素的性能。结果表明: 插入Ru将TiO₂的光响应范围由紫外光区拓展至整个可见-近红外光区, 光子吸收和载流子分离效率得以提升,同时提高了体系光催化活性。模拟太阳光(AM 1.5G, 100 mW·cm^-2)照射80 min, 三明治结构Ru@TiO₂高效光催化剂对盐酸四环素的降解效果出色, 降解效率达到91.91%。本研究为TiO₂基高效光催化剂结构设计提供了一条有效途径。

Ti₃C₂(OH)₂的抗氧化性和结构稳定性不佳极大地限制了其实际应用推广。本工作通过第一性原理计算方法, 对比研究了Ti₃C₂(OH)₂、聚苯胺(PANI)和PANI/Ti₃C₂(OH)₂复合材料的表面氧吸附行为。计算结果表明, Ti₃C₂基体上-OH官能团改变了活性吸附位点, 并一定程度上改善了Ti₃C₂基体的抗氧化性和结构稳定性。Ti₃C₂(OH)₂与PANI复合后, 表面PANI的氧吸附活性较高, 而Ti₃C₂(OH)₂的氧吸附能大幅度降低。经Bader电荷计算发现, 复合后从PANI端到Ti₃C₂(OH)₂发生了电子转移, 从而保护了后者。因此, PANI改性Ti₃C₂(OH)₂复合材料可以通过牺牲表面PANI来保护Ti₃C₂(OH)₂基体, 进而提高其结构稳定性和抗氧化性能。本工作对于提高MXene体系抗氧化性能、结构和电化学稳定性具有一定的理论指导意义。

受到生物基因工程中“基因剪刀”的启发, “化学剪刀”作为一种重要的研究工具在材料结构编辑及应用研究中发挥着重要作用。本文对“化学剪刀”在材料结构编辑及应用方面的研究进展进行了评述。首先, 介绍了“化学剪刀”的概念和基本原理, 即指在保持初始材料主结构不变的条件下, 通过化学反应敲除、置换、修复或重构目标原子或结构单元, 从而定制化编辑材料晶格中的组成元素、晶体结构以及微观形貌, 最终实现特定的材料结构与功能。随后, 详细回顾了“化学剪刀”在材料结构编辑中的具体应用, 即如何利用化学剪切、化学修饰、化学合成和化学刻蚀与化学插层等结构编辑方法对材料结构进行精确调控和功能设计。最后, 对“化学剪刀”未来在材料结构编辑及应用的研究方向进行了展望。本评述详细介绍了“化学剪刀”在材料结构编辑及应用研究方面的研究进展和巨大潜力, 为探索和开发“化学剪刀”在材料领域的应用提供了有力的理论和实验支撑, 并有望推动相关材料领域的发展。

开发新型低维材料在太赫兹电磁屏蔽与吸收领域的应用是一个极为重要的研究方向, 低维材料以其独特的电学、力学与电磁响应而有望创造出更加高效的电磁屏蔽与吸收方案。二维过渡金属碳化物、氮化物与碳氮化合物MXenes在低频波段已经展示出优异的电磁屏蔽与吸收性能, 尤其是MXenes兼具高电导率、低密度、高柔性等特点, 有利于未来太赫兹器件便携化与系统集成化。然而, 将MXenes太赫兹电磁屏蔽与吸收材料推向实际应用过程中, 面临着附着稳定性、环境稳定性、不耐高温等问题, 无法满足航空航天和第六代通信场景需求。此外，目前缺乏更加全面的太赫兹散射与吸收验证手段。针对上述问题，研究人员开展了广泛且深入的工作。本文回顾了近年来主流电磁屏蔽与吸收材料的主体构型与基础理论原理, 并重点介绍了多种MXenes及其复合物在薄膜与多孔结构下的太赫兹电磁屏蔽与吸收特性, 包括Ti₃C₂T_x、Mo₂Ti₂C₃T_x、Mo₂TiC₂T_x、Nb₄C₃T_x、Nb₂CT_x, 并展望了MXenes作为太赫兹频段中电磁屏蔽与吸收材料所面临的挑战和机遇。

由于原子间存在共价键、金属键与离子键的混合键合状态, MAX相陶瓷兼具金属和陶瓷材料的性能特点, 并且常与金属之间表现出良好的润湿性, 有助于形成强界面结合, 独特的层状原子结构使MAX相陶瓷表现出良好的断裂韧性、阻尼与自润滑性能。因此, 作为金属基复合材料的增强相, MAX相陶瓷具有显著优势, 本文着重介绍相关研究进展。目前, MAX相陶瓷增强金属基复合材料主要通过搅拌铸造、粉末冶金和熔体浸渗等途径制备, 得到的复合材料表现出优于金属基体的强度、硬度与模量, 同时还具备良好的耐磨、导电、抗电弧侵蚀等性能。此外, 借助真空抽滤、冰模板等工艺可实现超细片状MAX相陶瓷粉体的择优定向排列, 然后利用金属熔体浸渗多孔陶瓷骨架, 可获得具有类贝壳结构的MAX相陶瓷增强金属基仿生复合材料, 进一步提升材料的强韧性能。MAX相陶瓷增强金属基复合材料在承载、电接触等应用领域具有显著优势和广阔前景。

二维过渡金属碳/氮化物(MXenes)以其优异的力学和电学性能, 在多个领域展示出巨大的应用前景。近年来, 高性能MXenes纳米复合材料(包括一维纤维、二维薄膜和三维块体)的研究取得了显著进展, 但其力学性能仍远低于MXenes纳米材料的本征力学性能, 这主要归因于MXenes纳米复合材料中存在的孔隙缺陷、MXenes纳米片取向度低以及界面相互作用弱等关键科学问题。针对上述问题, 本文首先讨论了MXenes纳米材料的本征力学性能, 总结讨论了不同类型高性能MXenes纳米复合材料的发展历程, 并介绍了高性能MXenes纳米复合材料的最新研究进展, 包括如何消除孔隙缺陷、提高MXenes纳米片的取向度以及增强界面相互作用。同时, 介绍了高性能MXenes纳米复合材料在电热、热伪装、电磁屏蔽、传感以及储能等领域的应用。最后, 梳理了高性能MXenes纳米复合材料存在的挑战, 并展望了未来的发展方向。

MXene是一大类二维过渡金属碳氮化合物, 其丰富的组分、二维原子层结构、金属电导和活性表面等特性使其与不同波段的电磁波(可见光、红外、太赫兹、微波波段等)产生独特的相互作用, 并衍生了多种电磁功能应用。在红外波段, MXene具有宽域的红外辐射特性, 活性表面使其具备可调的红外吸收。近年来, MXene的上述性质引起了广泛研究兴趣。本文首先对不同MXene组分的本征红外辐射特性及调控策略进行了系统总结, 并简要介绍其代表性红外应用, 重点讨论MXene在这些应用中的贡献和作用机制, 包括红外识别/伪装、表面等离激元、光热转换、红外光电探测等。最后, 对MXene红外功能应用的未来发展方向进行了展望。

超薄的过渡金属碳氮化合物MXenes, 作为一大类新兴二维(2D)材料, 是当前材料研究热点方向之一。自2D材料发现至今已有近20年, 以石墨烯、过渡金属硫族化合物、黑磷等为代表的2D材料在微纳电子领域经历了相对广泛且深入的研究, MXenes自2011年诞生以来在微纳电子领域的研究也方兴未艾。MXenes拥有丰富的元素结构组成和独特的物理化学特性(表面亲水性、功函可调、官能团可调、电和离子快速传输特性、表面离子激元、光热电、电磁吸收等), 使其在微纳电子领域具有潜在的应用前景。Alshareef课题组近几年致力于将MXene引入到微纳电子领域, 并在2019年用MXetronics来定义MXene电子学这一新兴的学术领域。本文简要总结和评价了该领域的代表性进展, 梳理了包括微电子级的合成、加工、物性探索和器件应用等方面面临的挑战, 最后指出一些关键的研究方向和尚未探索的细分领域。

近年来, 压力传感器在智能可穿戴纺织品、健康监测、电子皮肤等领域得到了广泛应用。二维纳米材料MXene的出现, 为压力传感带来了全新的突破。Ti₃C₂T_x是压力传感领域研究最多的MXene, 具有良好的机械性能、高导电性、优异的亲水性以及广泛的可修饰性, 是理想的压力传感材料。因此, 近些年研究者们对MXene在压力传感器中的设计和应用进行了大量探索和研究。本文总结了MXene的制备技术和抗氧化方法。同时介绍了基于MXene的微结构设计, 包括气凝胶/多孔结构材料、水凝胶、柔性衬底和薄膜。该类设计有利于提高压力传感器的响应范围、灵敏度和柔韧性, 促进了压力传感器的快速发展。此外, 进一步探讨了MXene压力传感器的工作机制, 包括压阻式、电容式、压电式、摩擦电式、电池式和纳米流体式等。MXene以其优异的特性而在各种机制的传感器中得到了广泛应用。最后, 对MXene材料的合成、性质以及其在压力传感方面的机遇和挑战进行了展望。

二维过渡金属碳/氮化物(MXenes)自2011年被首次报道以来, 凭借其特殊的二维层状结构、优异的导电性和电化学性能在能源、催化、传感、电磁屏蔽和微波吸收等领域吸引了极大关注。近几年, 随着对该材料认识的不断加深, 其在光电领域的研究也不断深入。与其它领域不同, 光电器件聚焦于延伸MXenes材料半导体性质, 通过设计表面官能团、精准控制层数等来打开材料带隙, 从而使其从金属性质转变为半导体性质。本文主要围绕MXenes材料的光电性质, 介绍其在柔性光电子器件中的应用, 系统阐述MXenes材料在透明电子器件、光电探测器、图像传感器、光电晶体管、人工神经视觉网络系统的应用前沿现状与趋势, 并展望了MXenes基柔性光电器件面临的挑战以及未来发展前景。

基于功能油墨的先进印刷技术(打印、涂布), 能够突破传统制造手段的瓶颈, 实现具有复杂结构和特定功能的个性化薄膜及电子器件的快速成型, 在可穿戴智能识别、能源存储、电磁屏蔽及吸波、触摸显示等领域展现出巨大的应用前景。印刷先进能源及电子器件的关键在于, 开发先进功能油墨材料和与之相匹配的先进印刷技术。2011年发现的MXene材料, 是一类由过渡金属碳化物、氮化物或碳氮化物所组成的二维大家族的总称, 因其卓越的物理和化学性质(如高电导率、出色的亲水性和丰富的表面化学)而受到广泛关注, 特别适合作为印刷电子器件的油墨材料。探索MXene油墨的印刷行为特征并厘清MXene油墨在印刷关键环节中的机理, 不仅有助于获得高精度的MXene油墨印刷图案, 而且可以为印刷多尺度、多材料的多功能薄膜和电子器件打下了坚实基础。本文首先介绍了MXene的制备及其片层胶体的化学稳定性, 并对其流变学特性、可打印油墨的形成、油墨印刷行为以及与之适配的打印方法进行了讨论, 着眼于MXene油墨在能源、健康监测和传感应用方面的最新进展, 分析了该领域面临的挑战和未来的发展方向, 为该领域的研究者提供新的视角和启示。

可充电锌离子电池(ZIBs)以其低成本、固有安全性、高比能量和环保特性而在大规模储能领域中引起了极大的关注。尽管对ZIBs的正极、负极以及电解质的研究不断取得突破, ZIBs的实际性能仍难以达到实用化的要求, 关键在于缺少先进材料的开发。MXene作为一种新型的二维材料, 具有各种优异的特性包括丰富的原料、可定制的结构和独特的理化特性。二维(2D)MXene在ZIBs中的应用已经取得了重大进展。本文简要总结了用于ZIBs的MXene的多种合成路线、MXene的环境稳定性、形态和结构特征以及化学性质的进展; 详细阐述了MXene基阴极、阳极和电解质/隔膜的最新发展, 丰富的成果表明MXene材料具有实现高性能ZIBs的巨大潜力; 归纳探讨了增强基于MXene的 ZIBs性能的策略, 包括离子插层调控、表面接枝修饰、杂原子掺杂、层间距拓宽等; 最后, 提出了基于MXene的ZIBs面临的挑战, 展望了未来前景, 旨在为开发实用化MXene基储能器件指明方向。

太阳能作为自然界中丰富的可持续清洁能源, 可以在解决当前能源短缺问题的同时有效减少因过度消耗化石燃料造成的环境污染问题。近年来, 第三代新型薄膜太阳能电池, 如染料敏化太阳能电池(DSSCs)和钙钛矿太阳能电池(PSCs)等, 凭借其原料丰富、制造成本低廉和光电性能良好等优点而受到广泛关注。然而, 新型薄膜太阳能电池器件的电荷传输性能和运行稳定性与正式商用的要求仍有一定差距。二维MXene材料具有比表面积高、表面官能团丰富、导电性优良、功函数可调和亲水性等优点, 已成为能源转换领域的研究热点。鉴于此, 本文在综述二维MXene材料的结构、光学和电学特性的基础上, 阐述了近些年二维MXene材料应用于新型薄膜太阳能电池的研究进展, 并重点探讨了二维MXene材料增强太阳能电池光电性能的机制。二维MXene材料可通过作为钙钛矿太阳能电池中钙钛矿层和电荷传输层的添加剂、修饰染料敏化太阳能电池的光电阳极和制备电极, 来调整能带对齐、降低功函数、拓宽吸光范围和形成“柱撑效应”, 有效改善器件的光吸收效率、载流子迁移率和电荷提取能力, 从而提升器件的光电性能和稳定性。最后, 结合目前的研究进展, 对二维MXene材料在新型薄膜太阳能电池技术中的发展前景及面临的挑战提出了建议。

Zr₂SB、Hf₂SB、Zr₂SeB、Hf₂SeB、Hf₂TeB都是近期发现的硫族MAX相硼化物, 与典型MAX相相比，具有明显不同的性质, 因此备受人们关注。本文采用第一性原理并结合“线性优化法”、键刚度模型和准简谐近似研究了MAX相硼化物(M = Zr, Hf; A = S, Se, Te)的物相稳定性、力学性能和热性能。理论分析结果与目前可用的实验结果一致。经热力学和本征稳定性分析后发现, 只有M₂AB可以稳定存在。较短的M−A键与M−B键长使Hf系化合物的键刚度高于Zr系化合物, 这也同样导致Hf系化合物的硬度高于Zr系。随着A元素由S到Se再到Te, M−B与M−A键长逐渐增加, 键刚度减小导致弹性模量降低。而且, 这些化合物的体积模量取决于其平均化学键刚度。更加重要的是, 最弱键和最强键的刚度比(k_min/k_max)较高，显示这些MAX相硼化物不同于传统MAX相, 均呈本征脆性。考虑晶格振动(声子)和电子激发的贡献后计算得到M₂AB等压热容及热膨胀系数(TEC), 均在300 K以下随温度升高先快速上升后上升速率逐渐降低, 这与其它MAX相类似。较低的键刚度导致Zr系MAX相硼化物的平均线热膨胀系数整体上高于Hf系, 而且在300~1300 K区间与大部分MAX和MAB相一致。

温室气体的过量排放对全球气候产生严重不良影响, 如何减少碳排放已成为全球性议题。超级电容器具有使用寿命长、功率密度高、碳排放量相对较低的优点。大力发展超级电容器储能是建立未来能源系统的可靠和有效措施。MXene材料具有优良的亲水性、电导率、高电化学稳定性和表面化学可调性, 近年来在超级电容器储能应用研究领域广受关注, 但MXene严重的自堆叠问题限制了其储能性能充分发挥, 开发更先进的MXene材料对于下一代高性能电化学储能设备至关重要。基于此, 本文综述了MXene材料在超级电容器储能应用领域的研究进展, 介绍了MXene的结构和储能特性, 探讨了MXene的储能机理, 重点剖析了纳米工程改进MXene电极性能的结构设计, 详细总结了MXene复合材料构效关系和在超级电容器应用方面的最新研究进展, 最后提出了MXene材料用作超级电容器电极的研究方向和发展趋势。

二维(2D)钙钛矿以其固有的量子阱结构、较大的激子结合能和良好的稳定性, 在光电应用领域中具有广阔的前景。然而, 提高二维钙钛矿薄膜质量、降低成本并简化制备工艺仍然面临巨大的挑战。本工作在低退火温度(80 ℃)且无需其他特殊处理的条件下, 采用溶液法制备高质量二维钙钛矿(PEA)₂PbI₄薄膜, 并进一步制备了光电探测器。结果表明, 这种光电探测器有较低的暗电流(10^-11 A), 在450 nm光照下具有良好的响应度(107 mA·W^-1)、较高的探测率(2.05×10¹² Jones)和快速响应时间(250 μs/330 μs)。持续控制光照1200 s后, 器件可以保持95%的光电流。此外, 器件静置30 d后光电流几乎保持不变。本研究为开发稳定和高性能光电器件提供了良好的途径。

锂硫电池(LSBs)因能量密度高、原料储量丰富、环境友好等优点引起了广泛关注。然而, 多硫化物的穿梭效应、反应过程中较大的体积膨胀以及硫较差的电子电导率等缺点极大地限制了其发展。本研究设计了一种SnS₂纳米颗粒与ZIF-8衍生的花状二维多孔碳纳米片/硫复合材料(ZCN-SnS₂-S), 并研究了其作为锂硫电池正极的电化学性能。其独特的二维花状多孔结构不仅有效缓解了反应过程中的体积膨胀, 而且为Li⁺和电子的传输提供了快速通道, 杂原子N也促进了对多硫化物的吸附作用。并且负载的极性SnS₂纳米颗粒极大地增强了对多硫化物的吸附, 从而使ZCN-SnS₂-S复合材料表现出优异的电化学性能。在0.2C(1C=1675 mA·g^-1)电流密度下, ZCN-SnS₂-S电极循环100次后仍能保持948 mAh·g^-1的高可逆比容量, 容量保持率为83.7%。即使在2C的高电流密度下循环300圈, ZCN-SnS₂-S电极仍具有546 mAh·g^-1的可逆比容量。

二硫化钼(MoS₂)作为水系锌离子电池的正极材料, 受到锌离子(Zn²⁺)与主体框架之间的强静电相互作用表现出缓慢的反应动力学。并且MoS₂的层间距较窄难以嵌入大尺寸水合Zn²⁺, 导致MoS₂电极呈现出较低的放电比容量。本研究通过一种简单的氨水辅助水热法制备了NH₄⁺扩层的二硫化钼(MoS₂-N)电极, 氨水分解产生的氨气在促进硫代乙酰胺水解和提供还原性S^2-的同时, 还会产生大量NH₄⁺作为插层离子, 将MoS₂的层间距由0.62 nm扩展至0.92 nm, 进而大大降低了Zn²⁺嵌入能垒(改性电极的电荷转移电阻R_ct低至35 Ω)。当电流密度为0.1 A·g^-1时, MoS₂-N电极的初始放电比容量相比未扩层的MoS₂电极提高了1倍, 高达149.9 mAh·g⁻¹。同时在1.0 A·g^-1电流密度下放电比容量稳定在110 mAh·g^-1左右, 循环200圈后库仑效率将近100%。本研究提出的氨水辅助扩层法, 丰富了提升MoS₂电化学性能的改性策略, 为后续的正极材料开发提供了新的思路。

Ti₃C₂T_x MXene材料具有二维层状结构及丰富的表面官能团, 是一种非常有潜力的重金属离子吸附材料, 但其层间距较小, 且在水溶液中的稳定性较差。本工作探索了Ti₃C₂T_x的改性策略, 提高其化学稳定性与离子吸附容量, 利用一步水热方法制备出不同Fe₃O₄掺杂量的Fe₃O₄-Ti₃C₂T_x(FeMX)复合吸附剂材料。研究结果表明：FeMX吸附剂对Pb(II)的理论饱和吸附量可达到210.54 mg/g。研究进一步揭示了FeMX材料对Pb(II)离子的吸附机理, Fe₃O₄纳米颗粒均匀分散、插层在Ti₃C₂T_x纳米片层间, 有效增加了Ti₃C₂T_x纳米片的比表面积与层间距, 提高了对Pb(II)的去除能力。本研究可为发展优异重金属离子吸附特性的MXene基复合材料提供基础数据。