随着对高效环保储能系统需求的日益增长, 锌空电池因其高能量密度、低成本及环境友好等特性, 成为极具前景的能源存储装置。然而, 空气阴极上缓慢的氧还原反应(ORR)和析氧反应(OER)动力学制约了电池性能的进一步提升, 故开发高性能、低成本的双功能氧电催化剂具有重要意义。本研究通过球磨辅助热解法, 制备了Fe单原子/团簇锚定石墨烯杂化催化剂(Fe-N/Gra)。通过调控前驱体金属酞菁与石墨烯的比例, 获得了系列Fe-N/Gra材料, 并考察了其双功能氧电催化性能。研究结果表明, 不同金属酞菁前驱体负载量对催化剂性能具有较大的影响。当酞菁铁负载量为0.02 g时, 所得催化剂Fe-N/Gra-0.02展现出最佳的ORR和OER催化活性: 其ORR半波电位高达0.911 V, OER在10 mA·cm^-2电流密度下的过电位为610 mV。以该催化剂作为空气电极组装的可充式锌空电池, 最大功率密度达315 mW·cm^-2, 在10 mA·cm^-2电流密度下可稳定放电210 h。Fe-N/Gra-0.02良好的双功能氧电催化活性主要归因于原子级分散Fe-N_x活性位点和载体石墨烯的高导电性, 另外高负载量催化剂中活性位点的团聚不利于展现其高效催化活性。本研究为高性能非贵金属双功能催化剂的可控制备及锌空电池的应用提供了实验依据。

二维氮化镓(GaN)因既具有宽禁带半导体特性, 又具有量子限域效应双重特征, 在紫外光电子领域具有广阔的应用前景。然而, 金属有机化学气相沉积和分子束外延等常用方法制备二维GaN通常需要较高的生长温度、较长的制备时间和相对较高的成本。针对上述关键挑战, 本研究利用液态金属镓具有低温下熔化和易氧化的特点, 研发了一种高效、相对低温的二维GaN制备策略。首先, 利用简单易行的旋涂剥离法, 直接从液态镓表面提取获得非晶态氧化镓(Ga₂O₃); 随后, 通过氮化处理工艺, 在相对较低的温度(850 ℃)下, 对非晶Ga₂O₃进行处理, 成功实现了高晶体质量GaN的制备。研究结果表明, 制备的二维GaN厚度约为2.2 nm, 横向尺寸为厘米量级, 晶体结构为六方纤锌矿结构。基于制备的二维GaN构建了光电导型紫外光电探测器, 性能测试表明在5 V偏置电压和325 nm波长紫外光照射下, 器件展示出良好的响应度(4.14 A/W)和较高的探测率(1.02×10¹³ Jones)。本研究基于液态金属镓制备了大面积二维GaN材料, 为开发低维高性能紫外光电探测器提供了参考借鉴。

氧化铝陶瓷是广泛应用的结构材料, 但固有脆性和单一功能限制了其在高性能要求环境中的应用。二维石墨烯具有优异的机械、热和电特性, 将其组装入陶瓷基体, 可通过界面工程促进晶粒细化, 实现性能优化。传统的物理混合方法导致石墨烯片的均匀性和完整性较差, 阻碍了复合材料的发展。针对上述问题, 本工作提出了一种新型的吸附沉淀自组装(APSA)方法, 能够实现氧化石墨烯(GO)薄片与亚微米Al₂O₃颗粒无损复合。通过在GO表面吸附Al³⁺离子实现均匀沉积, 可获得均匀前驱体, 进一步结合放电等离子烧结(SPS)可实现低温快速致密化。在制备的复合陶瓷中, 石墨烯沿着氧化铝晶粒平行排列, 促进了晶粒细化, 并通过拉出、裂纹扩展和桥接等多种增韧机制的协同作用显著提高了材料的机械性能。与单一氧化铝陶瓷相比, 复合陶瓷的抗弯强度((428±87) MPa)提高了43%, 断裂韧性((4.40±0.13) MPa·m^1/2)提高了34%。此外, 与传统球磨混合工艺制备的试样相比, 强度和韧性也分别提高了15%, 进一步证实该技术路线的有效性与先进性。

有效控制细菌感染并促进血管生成是加速感染性创面愈合面临的重要挑战。开发一种兼具抗菌和促进血管生成的多功能水凝胶创面敷料具有重要研究价值。本研究以Ti₃C₂Al为前驱体, 采用选择性化学刻蚀法制备Ti₃C₂T_x MXene纳米片, 并将其与可注射性聚乙烯醇(PVA)/阳离子瓜尔胶(CGG)水凝胶形成动态交联网络, 构建了具有超声响应特性的PVA/CGG/MXene(PCM)复合水凝胶。实验结果表明, CGG分子链中的季铵阳离子基团通过静电相互作用显著增强了PCM水凝胶的抗菌性能, 对金黄色葡萄球菌和大肠杆菌的抗菌率分别达到97.34%和95.40%。MXene纳米片赋予水凝胶稳定的导电及压电特性, 在低频超声刺激下, PCM水凝胶可通过压电效应产生电信号, 进而促进细胞增殖、迁移和血管再生。大鼠全层皮肤感染创面模型证实, PCM水凝胶通过抗菌、促进血管生成和胶原沉积, 显著加快了创面愈合过程, 10 d内创面几乎完全愈合。本工作成功开发了一种集超声响应电刺激、抗菌与促进血管再生功能于一体的多功能水凝胶敷料, 为感染创面修复治疗提供了新策略。

二维平面金属聚酞菁具有独特的分子结构和高载流子迁移率, 是一种很有发展前景的有机热电材料。但是本征金属聚酞菁的载流子浓度和电导率低, 热电性能提升困难。本研究采用原位聚合法和机械球磨法分别制备了聚酞菁铜/单壁碳纳米管(CuPPc/SWCNTs)复合材料。与机械球磨样品(BM-CuPPc/SWCNTs)相比, 原位聚合样品(IS-CuPPc/SWCNTs)中的CuPPc和SWCNTs间存在强的π-π共轭效应, 能有效降低CuPPc和SWCNTs间的界面电阻。因此, 在SWCNTs浓度较高的情况下, IS-CuPPc/SWCNTs的电导率高于BM-CuPPc/SWCNTs。80%(质量分数)SWCNTs的IS-CuPPc/SWCNTs的电导率达1.31×10⁴ S·m^-1, 比BM-CuPPc/SWCNTs高30%, 比纯CuPPc提高了6个数量级。同时, IS-CuPPc/SWCNTs的最大热电功率因子达到18.24 μW·m^-1·K^-2, 高于BM-CuPPc/SWCNTs, 较纯CuPPc高出6个数量级。本研究为提升金属聚酞菁的热电性能提供了有效途径。

MXenes作为一种新兴的二维(2D)层状材料, 具有电子电导率高、比表面积大、亲水性良好以及表面基团可控等优点, 在能源、催化、防腐蚀和电磁屏蔽等领域展现出广阔的应用前景。其中, Mo₂CT_x MXene因其优异的电催化析氢活性而备受关注。本文旨在系统梳理Mo₂CT_x MXene的制备及其在电催化析氢领域的研究现状, 为该体系进一步深入研究提供全面且清晰的参考框架。本文全面综述了近年来Mo₂CT_x MXene的制备方法及分层技术; 归纳了Mo₂CT_x MXene作为析氢反应(HER)电催化剂的研究进展; 从末端修饰、元素掺杂以及杂化复合等角度深入探讨了Mo₂CT_x MXene HER催化性能的优化策略; 最后对Mo₂CT_x MXene及其复合材料在电催化析氢领域的发展进行了展望。尽管Mo₂CT_x MXene的研究成果颇丰, 但其制备工艺的绿色化与规模化不足, 导致生产成本居高不下。此外, 催化机理研究滞后也制约了理性设计策略的开发。未来需着力开发绿色无氟制备工艺, 促进材料规模化生产, 持续提升催化活性并增强催化剂稳定性, 加快催化机理的探究, 以推动Mo₂CT_x及其复合材料在电催化析氢领域的应用进程。

二维无机材料作为一类具有单原子层或多原子层的无机超薄纳米片, 呈现出高比表面积、高导电性和/或高光热转换效率等特点。这些独特的理化特性赋予其促凝血、抗菌、抗炎和抗氧化等生物效应。近年来, 鉴于降解和代谢问题, 该类材料被应用于调控病损皮肤组织, 如全层皮肤缺损、烧烫伤及糖尿病创面等, 展现出加速伤口愈合、减轻感染及改善炎症微环境的显著效果。本文围绕二维无机材料的特有结构和生物效应, 系统性阐述了其在伤口愈合中的应用及相关作用机制, 并展望了二维无机材料在皮肤修复领域面临的挑战和前景。

新型In基MAX相Zr₃InC₂因其优异的物理性能而受到广泛关注, 但其在高压下的研究仍较为有限。基于密度泛函理论(DFT)的第一性原理, 本工作系统研究了压力对新型MAX相Zr₃InC₂的晶体结构、力学性质、电子结构和热力学性质的影响。通过与Zr₃AlC₂进行对比, 揭示了A位元素由Al替换为In对MAX相材料的晶体结构、物理性质及两者在高压环境下响应的影响。计算得到的Zr₃InC₂和Zr₃AlC₂晶格参数与之前的实验报道相一致。晶格参数随压力的变化结果表明, Zr₃InC₂和Zr₃AlC₂存在明显的各向异性压缩, 即沿c轴方向的压缩率显著高于沿a轴方向。弹性常数和声子色散曲线的结果表明, Zr₃InC₂在0~50 GPa范围内保持力学稳定和动力学稳定。此外, 不同压力下的泊松比结果表明, Zr₃InC₂在常压下为脆性, 随着压力的增加, 其脆性逐渐减弱, 40 GPa时首次呈现韧性, 其中泊松比和柯西压力在50 GPa下存在差异, 表明Zr₃InC₂在高压下可能处于脆韧转变的临界区。经对比发现, Zr₃InC₂的力学性质比Zr₃AlC₂在高压下的响应更为敏感。电子结构的计算结果显示Zr₃InC₂具有金属性。热力学分析显示, Zr₃InC₂在常压下具有相对较低的热膨胀系数, 随着压力的增加, Zr₃InC₂的德拜温度和最小导热系数显著上升, 这表明压力能有效调节Zr₃InC₂的热力学性能, 为其在高温领域中的潜在应用提供了理论支持。

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。

在保持结构陶瓷高硬度的同时提高其韧性和塑性, 可以显著拓展其在极端环境中的应用前景, 其中微结构设计是一项重要策略。本工作研究了在碳化物陶瓷中构筑金属单原子层分相共生结构的可行性。以过渡金属单质、石墨和少量Al为原材料, 采用放电等离子体烧结工艺在1900 ℃和30 MPa压力下制备不同组元数的过渡金属碳化物陶瓷, 发现只有高熵(TiZrHfNbTa)C陶瓷形成了Al原子层分相共生结构。该结构不是长程序的单相化合物(如MAX相), 而是一种无周期性的碳化物和金属单原子层交叉堆叠的复合物。通过纳米至原子尺度的球差校正透射电子显微镜和能谱表征, 揭示了少量Al单原子层无周期性地嵌入高熵碳化物面心立方结构的{111}面。结合第一性原理计算, 发现形成原子层分相共生结构的关键因素不是Al在不同碳化物晶格中的扩散差异, 而是高熵带来的热力学稳定性、晶格畸变和迟滞扩散效应等。本研究有助于推动结构陶瓷中原子尺度微结构的设计和调控, 从而获得硬度-强度-韧性综合力学性能优异的结构陶瓷。

Ti₂AlC是MAX相材料中抗氧化性能最好的化合物之一, 在高温结构材料和高温抗氧化防护涂层领域具有潜在的应用前景, 然而其强度和硬度不足, 在高温领域的应用受到限制。为了提升Ti₂AlC的性能, 本研究采用原位固-液相反应/热压方法成功合成了Ti₂AlC-20%TiB₂(体积分数)复合材料(简称Ti₂AlC-20TiB₂), 分析了其在1000~1300 ℃的高温氧化行为, 揭示了其高温抗氧化机理。结果表明: Ti₂AlC-20TiB₂复合材料的氧化动力学符合自然对数规律, 比单相Ti₂AlC具有更优异的抗氧化性能。1200 ℃以下, 氧化膜主要由Al₂O₃(内层)和TiO₂(外层)组成, 而在1300 ℃时, 氧化膜的外层则是TiO₂与Al₂TiO₅混合物。复合材料形成的Al₂O₃保护层比单相Ti₂AlC形成的更为致密, 这是抗氧化性能优异的关键。引入的TiB₂颗粒减小了材料的晶粒尺寸, 增加了短路扩散的晶界数量, 有利于Al的选择性氧化, 从而加速了Al₂O₃保护层的形成。TiB₂氧化过程中生成的B₂O₃能够填充微孔并修复微裂纹, 有效阻止了O的内扩散, 进一步提高了复合材料的抗氧化性能。

碳化硅陶瓷是一种重要工程材料, 但具有一定的脆性, 这限制了其进一步应用。二维石墨烯具有诸多优良特性, 可以作为第二相对碳化硅陶瓷材料进行性能改善。然而石墨烯在陶瓷基体中存在分散性较差等问题, 难以发挥其对陶瓷基体的改性作用。为解决以上问题, 本工作以陶瓷有机前驱体聚碳硅烷和工业可膨胀石墨为原料, 通过前驱体-纳米插层技术制备了少层石墨烯纳米片(GNPs)的体积分数分别为1%、3%和5%的SiC/GNPs陶瓷基复合材料。GNPs在SiC陶瓷基体中呈阵列态平行排布, 显示出极高的取向性; 随着GNPs含量增加, 阵列中GNPs的间距依次递减, 表现出一定的微观组织拓扑可调节性; 加入GNPs显著提高了SiC陶瓷的断裂韧性, 当GNPs含量为3%时, 样品的相对密度为98.5%, 抗弯强度为445 MPa, 断裂韧性达到最高值5.67 MPa·m^1/2, 相比纯SiC陶瓷提高了40%, 由GNPs引发的裂纹偏转与桥连是主要的增韧机制。而进一步提高GNPs含量, 断裂韧性下降至4.37 MPa·m^1/2。这种含有石墨烯阵列的复合材料可以用于新型“结构-功能一体化”SiC基陶瓷器件的设计与开发。

研发具有高活性和高稳定的电极材料, 是实现电芬顿体系高效降解磺胺类抗生素污染物的关键。本工作以MXene材料作为载体负载酞菁铁(FePc), 制备了FePc/MXene纳米复合材料, 并利用其作为阴极催化剂构建的电芬顿体系对磺胺间二甲氧嘧啶(SDM)进行降解。负载FePc后, 纳米复合材料依然保持手风琴状的片层结构, 并且表面略粗糙, 层间间距变小; FePc/MXene中FeN_x的配位数约为4, 且FePc与MXene之间的相互作用促进了电极表面的电子转移。在构建的电芬顿体系中, FePc/MXene电极在50 min内对SDM的降解率达到97.2%, 且在较宽的pH范围内表现出优异的催化性能和稳定性。降解性能显著提高主要归因于复合材料中引入FeN₄增强了O₂电催化还原为H₂O₂的活性。电芬顿体系主要通过自由基(·OH和·O₂^-)与非自由基(¹O₂)共同降解SDM。利用前沿轨道理论和Fukui函数阐明了SDM被不同活性物种攻击的位点, 降解途径主要有苯环的羟基化、苯环上氨基的氧化、C-S和S-N键断裂。此外, 循环和离子浸出实验证明所制备的阴极催化剂具有优异的稳定性。

二维层状结构MXenes因其优异的电学性能、可调控的表面官能团而被广泛应用于钾离子超级电容器领域, 但其有限的双电容存储容量严重限制了MXenes在电极材料方面的应用。本工作采用“路易斯酸熔盐预刻蚀+液相刻蚀+原位水热复合”策略, 制备了以Ti₃C₂为基体、表面包覆MnO₂的Ti₃C₂基异质结, 以提高电极材料对钾离子的储存。采用基于密度泛函理论的第一性原理计算方法, 研究了Ti₃C₂基异质结界面之间的连接方式、电学性质以及钾离子吸附规律的变化。结果表明构建的Ti₃C₂基异质结对钾离子的最大吸附量是Ti₃C₂的3倍左右, 且Ti-O-H-O连接通道使MnO₂内部的自由电子数量增多, 使Ti₃C₂基异质结表现出优异的电学性能。三电极体系下的电化学测试结果表明Ti₃C₂基异质结在1 A·g^-1的电流密度下能够提供431 F·g^-1的比电容, 远远高于Ti₃C₂(128 F·g^-1)。并通过动力学分析阐述了Ti₃C₂基异质结的赝电容储能机理, 在100 mV·s^-1的扫描速率下, 其赝电容贡献比例高达89%, 此外Ti₃C₂基异质结表现出较小的电化学阻抗, 从而提高了钾离子传输速率、电子转移速率。本研究通过构筑Ti₃C₂基异质结, 提高了基体Ti₃C₂的电化学性能, 并阐述了相应的储能机理, 这为设计其他MXenes基电极材料提供了理论基础。

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。

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。

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。