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二维MXenes的界面调控机制及其应用研究进展

孙莎莎 ,  黄卫春 ,  王梦可

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引用本文: 孙莎莎, 黄卫春, 王梦可. 二维MXenes的界面调控机制及其应用研究进展[J]. 无机化学学报, 2025, 41(8): 1465-1482. doi: 10.11862/CJIC.20240430 shu
Citation:  Shasha SUN, Weichun HUANG, Mengke WANG. Research progress of interface regulation strategies and applications of two‑dimensional MXenes[J]. Chinese Journal of Inorganic Chemistry, 2025, 41(8): 1465-1482. doi: 10.11862/CJIC.20240430 shu

二维MXenes的界面调控机制及其应用研究进展

  • 南通大学化学化工学院, 南通 226019

    • 通讯作者: 黄卫春, E-mail：huangweichun@ntu.edu.cn; 王梦可, E-mail：mengkewang@ntu.edu.cn
  • 基金项目:

    国家自然科学基金 52103316

    南通大学大型仪器设备开放基金 KFJN2426

摘要: 2D过渡金属碳/氮化物或碳氮化物(MXenes)因其独特的物理和化学性质，在电学、光学、催化和环境等多个领域展现出了广泛的应用潜力。这些独特的性质为MXenes材料在各个领域的创新应用奠定了坚实的基础。近年来，2D MXenes纳米材料的界面调控策略受到了广泛关注。研究者通过不同的方法，如表面基团控制、表面吸附、表面复合和交联等，对MXenes进行了深入的改性研究。本文综述了MXenes的界面调控策略及其功能化材料在能量存储、催化、光电探测、电磁屏蔽、污染物吸附和生物医药领域的研究进展。

English

  • 0.   引言

    自2011年2D过渡金属碳/氮化物或碳氮化物(MXenes)被发现[1]以来，其因独特的亲水性、优异的力学性能、丰富的表面官能团、高电导率和高光热转化效率等优势，逐渐成为2D材料家族中的重要成员，并在电磁屏蔽、电化学储能、生物医药、环境化学、传感器和海水淡化等领域均得到了广泛的应用[2-6]。然而，针对各工业领域对材料性能提出的高标准、严要求，经简单刻蚀得到的MXenes已然不能满足各领域的需求，其光电性质、稳定性、机械性质等仍有很大的提升空间[2-6]。面对这种困境，研究人员开发了不同的界面调控机制，优化MXenes纳米材料的表界面性质和结构，以适应不同实验条件和性能的需求。本文介绍了目前报道的MXenes的界面调控策略，并总结了功能化MXenes纳米材料在能量存储、催化、光电探测、电磁屏蔽、污染物吸附和生物医药等领域的研究进展。最后，从制备方法和实际应用的角度出发，对目前功能化的MXenes纳米材料的发展作出了总结和展望。

    1.   MXenes的基本性质

    1.1   MXenes的结构

    自Naguib等[1]通过选择性蚀刻方法成功合成Ti3C2Tx纳米片以来，学术界掀起了MXene的研究热潮。MXenes与石墨烯类似，具有2D层状结构，是一种2D金属碳/氮化物或碳氮化物，其化学结构通式是Mn+1XnTx(n=1、2、3或4，x为端基数)，其中M(如Ti、V、Cr、Nb、Mo和Hf)是过渡金属元素，X为非金属元素(C或N)，T为合成过程中衍生的端基，通常为O、F、Cl、OH、Br等[1]。目前，已有超过30种MXene被系统研究[1, 7]。根据其原子层结构，MXene可被分为21型(M2XTx)、32型(M3X2Tx)和43型(M4X3Tx)[7]。

    1.2   MXenes的制备方法

    MXenes具有2D层状结构，其厚度通常小于5 nm，而横向尺寸可达微米级别，通常由选择性蚀刻其相应的MAX相得来，由于MAX相中M—X键强于M—A键，通过刻蚀其中的A组分(主族元素)可得到相应类型的MXene。自Ti3C2Tx成功合成以来，MXene的合成方法不断得到丰富和改善。迄今为止，制备MXene的常用策略有氟化物蚀刻法[6, 8]、熔盐合成法[9]、电化学蚀刻法[10-11]和插层法[12]等，典型的制备方法如表 1所示，此外，还有自下而上的直接合成法[13]。

    表 1

    表 1  MXenes的常用制备方法
    Table 1.  Common fabrication methods of MXenes
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    Synthesis strategy Etchant MXene Ref.
    Fluoride etching HF Ti3C2Tx [6]
    LiF+HCl Ti3C2Tx [8]
    Molten salt synthesis method ZnCl2 Ti3C2Tx/Ti2CTx [9]
    CuCl2 Nb2CCl2
    Electrochemical etching LiOH+LiCl Ti3C2Tx [10]
    KOH Nb2CTx [11]
    Intercalation method Tetrabutylammon-ium hydroxide Ti3C2Tx [12]

    1.3   MXenes的性质

    MXenes的结构和组成决定了MXenes纳米材料具有以下特殊的物理和化学性质：(1) 高导电性，如Ti3C2Tx薄膜的电导率高达约21 000 S·cm-1 [14]。根据密度泛函理论(DFT)计算可知，M、X和Tx对MXene的电导率都有很大影响。(2) 良好的亲水性。由于MXene在刻蚀过程中产生了—O、—F和—OH等表面基团，其具有一定的亲水性，易于制成薄膜[15-16]。(3) 表面性质可调性。MXene表面众多含氧基团的存在为其表面化学改性提供了更多有价值的活性位点[17-18]。(4) 卓越的机械强度。Zhang等[16]利用刀片涂层法，在不使用任何添加剂和黏合剂的情况下，制备出抗拉强度约为570 MPa的Ti3C2Tx MXene薄膜。(5) 高比表面积。MXene的2D层状结构使其具有大的比表面积，为微观粒子的吸附和表面改性提供了大量位点[14, 18]。(6) 氧化性和化学稳定性。Ti3C2Tx在空气中易被氧化变质，在溶液中拥有更好的化学稳定性[14, 18]。

    2.   MXenes的界面调控策略

    2D MXenes材料也存在一些缺陷与不足，如MXenes纳米片存在易堆积，在空气中易氧化等缺点[19-20]。随着科技的发展，现有MXenes的性质无法满足能量存储、环境保护等各个领域的更高要求，其中表面性质对其应用的限制尤为严重，而界面调控策略是改变其表面性质的有效方法。MXenes的界面调控与其大比表面积以及在合成过程中衍生的丰富表面端基息息相关。这些策略不仅影响MXenes的本征物理化学性能，而且对其在不同领域的实际应用产生了一定程度的影响[21-22]。目前，MXenes的界面调控策略主要包括表面基团控制[23-29]、表面吸附[30-33]、表面复合/形成异质结[34-46]、交联[12, 47-51]等方法(表 2)。

    表 2

    表 2  MXenes的界面调控常用策略
    Table 2.  Commonly used interface regulation strategies of MXenes
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    Strategy Classify Sample Regulatory methods or conditions Ref.
    Surface group T=F, O, OH Ti3C2Tx (T=F, O, OH) Fluoride etching [6, 8]
    control T=O Ti3C2O Solvothermal method and saponification [23]
    Ti3C2O LiCl-KCl-K2CO3 molten salt treatment [24]
    T=X (X=Cl, Br, I, ClBr, ClI, BrI, ClBrI, Cl2) Ti3C2Tx (T=Cl) CuCl2 molten salt treatment [25]
    Ti3C2Tx (T=Cl, Br, I, ClBr, ClI, BrI, ClBrI) CuCl2/CuBr2/CuI molten salt treatment [26]
    Ti2CCl2 Chemical vapor deposition [27]
    Others Ti3C2Tx (T=Na, O) Bacterial cellulose and NaOH treatments [28]
    Ti3C2Tx (T=O, S, Se, Te, NH) Substitution and elimination reactions [29]
    Surface adsorption Action of static electricity Ti3C2Tx passivated by an amino group Amino acid passivation [30]
    Ti3C2Tx passivated by Rh3+ and the amino group Passivation of ethanolamine and RhCl3 [31]
    Hydrogen-bonding interactions 1, 3, 6, 8-tetra(p-benzoic acid)pyrene/Ti3C2Tx —COOH forms hydrogen bonds with hydroxyl groups on the Ti3C2Tx surface [32]
    Trisodium 1, 2, 4-benzenetricarboxylate/Ti3C2Tx —COOH forms hydrogen bonds with hydroxyl groups on the Ti3C2Tx surface [33]
    Surface 0D/MXene NiO/Ti3C2Tx In situ precipitation [35]
    recombination ZnS/Ti3C2Tx Ultrasonic vibration [36]
    Ni/Ti3C2Tx/Cu Physical mixing, reduction, and hot pressing [37]
    Bi2.88Fe5O12-x/Ti3C2Tx Electrostatic assembly [38]
    1D/MXene CdS nanorod/Ti3C2Tx Solvothermal method [40]
    Nanocellulose/Ti3C2Tx Annealing and vacuum filtration [41]
    Na3Ti5O12 nanowire/Ti3C2Tx Treated with cetyltri-methylammonium bromideand NaOH [42]
    2D/MXene Ti3C2Tx/MoS2 nanosheets Hydrothermal method [43]
    Ti3C2Tx/restore oxidation graphene Physical mixing and electrostatic assembly [44]
    Nb2C/Ti3C2Tx Chemical etching [45]
    Multi-dimension/MXene ZnIn2S4/g-C 3N4/Ti3C2Tx Hydrothermal method [46]
    Cross linking Polymer cross-linking Conducting polyaniline/Ti3C2Tx Electrostatic assembly [12]
    Polycationic polyethyleneimine/Ti3C2Tx Electrostatic assembly and crosslinking of hydrogen bonds [48]
    Molecular/ionic cross-linking Ti3C2Tx cross-linked by Al(OH)4- Electrostatic assembly [49]
    Ti3C2Tx/polyvinyl alcohol hydrogel cross-linked by Zn2+ Physical mixing [50]
    Self-crosslinking Ti3C2Tx Vacuum filtration and heat treatment [51]

    2.1   表面基团控制

    MXenes表面端基Tx的类型在一定程度上对其表面物理化学性质起到至关重要的作用[52]。通过调控Tx的种类和浓度，可以实现MXenes物理化学性质的精确可控，例如，—O作为末端基团有利于实现MXene纳米片的高Li+存储容量[53]，—OH封端的MXene能够促进MXene纳米片对重金属阳离子的吸附[17]。通过采用不同的MXene合成策略，可以对MXene纳米片上末端基团Tx的类型和浓度进行控制，如采用氟化物蚀刻法可调节MXene表面—O、—OH和—F基团的浓度[54-57]。Xia等[23]采用HF蚀刻Ti3AlC2得到表面含大量—F的Ti3C2(记作Ti3C2F)，之后用乙二醇溶剂热处理法得到表面含大量—OH的Ti3C2(Ti3C2OH)，另外，通过皂化反应还得到表面含大量—O的Ti3C2O(图 1a)。其中Ti3C2OH在-0.2 V、20 ℃条件下，NH3产率可达12.46 μg·h-1· cm-2(图 1b)。熔盐合成法可以丰富Tx基团的种类[5]，包括卤族、硫族和磷族元素。Li等[25]将Ti3SiC浸渍在CuCl2熔盐中，在合成过程中Cu2+先氧化Ti3SiC2中的Si元素，过量的Cu2+再与Ti3C2反应生成Ti3C2Tx (T=Cl、O)。Guo等[24]采用LiCl-KCl-K2CO3熔盐去除了Ti3C2Tx表面的—F，替换为—O，提高了MXene的电化学性能。Luo等[28]将Ti3C2Tx纳米片经过细菌纤维素(BC)和NaOH处理，形成具有微孔夹层和高表面积的MXene/BC(AM/BC)复合薄膜。后期通过低温退火处理使BC部分碳化，增加了薄膜的整体电导率，减少了薄膜表面的—F、—Cl和—OH，并留下Na+(图 1c)。纯MXene和碱性退火处理后AM/BC-0.2薄膜截面的扫描电子显微镜-能谱(SEM-EDS)图像证实薄膜表面钠元素含量增加(图 1d和1e)。AM/BC电极在3 mol·L-1 H2SO4中，电流密度为1 A·g-1时电容为594 F·g-1，比纯MXene薄膜(约300 F·g-1)增加了近1倍。

    图 1

    图 1.  (a) Ti3AlC2表面改性的两步合成路线以及(b) Ti3C2OH的NH3产率[23]; (c) 通过NaOH和退火处理制备AM/BC薄膜的示意图; (d) 纯MXene和(e) 碱性退火处理后AM/BC-0.2薄膜截面的SEM-EDS图[28]
    Figure 1.  (a) Illustration of the two-step synthetic route for Ti3AlC2 with surface modification and (b) NH3 yield rates of Ti3C2OH[23]; (c) Scheme showing the preparation the AM/BC film through NaOH and annealing treatment; Cross-section SEM-EDS mappings of (d) pure MXene and (e) the AM/BC-0.2 film[28]
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    2.2   表面吸附

    表面吸附是对材料进行改性的常用方法之一，可以通过静电、氢键等作用对材料进行表面改性[56, 58]。MXene纳米片具有高的比表面积，是表面吸附的理想平台，为表面吸附提供了大量的吸附位点。李聪[56]研究了碱性化处理后的Ti3C2Tx对尿素的吸附行为，并得出碱性化后的Ti3C2Tx对尿素的最佳吸附pH在7~9之间(图 2a)。利用LiOH、NaOH和KOH对少层Ti3C2Tx进行处理后，Li+、Na+、K+能够在Ti3C2Tx表面和层间堆叠，溶液中会存在大量—OH，而尿素(CH4N2O)在水中会水解并带正电荷(CH5N2O+)。在酸性条件下，MXene纳米片表面的— OH会质子化并带正电，与CH5N2O+电荷相斥，使得其对尿素的吸附量减少；而通过碱处理后，MXene吸附剂表面带负电，因此其通过静电引力，可以吸附更多的尿素；在强碱性环境下，Ti3C2Tx纳米片表面带负电，这会促使其形成Ti—O—M+(M=Li、Na、K)来平衡电荷，使得Ti3C2Tx表面与尿素的结合位点减少，进而导致尿素吸附量降低。

    MXenes在刻蚀过程中产生的晶体缺陷会影响其性能，阻碍实际应用，因此需要对其表面进行修饰以优化晶体缺陷。Huang等[30]用氨基酸中的— NH2降低了Ti3C2Tx的可调功函数(Wf)，利用氨基酸的—NH2和—COOH钝化Ti3C2Tx的缺陷，其中氨基酸中带正电的—NH2钝化了Ti3C2Tx带负电的Ti空位，而带负电的—COOH钝化了Ti3C2Tx带正电的C空位，导致Ti3C2Tx导电性增强，进一步提升了有机太阳能电池的性能。Hou等[31]分别用乙醇胺和RhCl3调节Ti3C2Tx(图 2b)的Wf[所得样品分别记为D-Ti3C2Tx(图 2c)和R-Ti3C2Tx(图 2d)]，将样品中Ti3C2作为电子传输层(ETL)和空穴传输层(HTL)，乙醇胺上带正电荷的—NH2与Ti3C2带负电荷的—O、—OH和—F通过氢键结合，可诱导—NH2在Ti3C2Tx上的吸附，而在用RhCl3处理Ti3C2Tx时，电子从Ti3C2Tx转移到Rh3+，将Rh3+还原为Rh金属粒子(图 2e)。同时，—NH2和Rh3+会钝化Ti3C2Tx中的Ti空位缺陷。

    图 2

    图 2.  (a) pH对Ti3C2Tx吸附尿素的影响[56]; (b) Ti3C2Tx、(c) D-Ti3C2Tx-50和(d) R-Ti3C2Tx-15的TEM图; (e) D-Ti3C2Tx和R-Ti3C2Tx的形成机理示意图[31]
    Figure 2.  (a) Effect of pH on urea adsorption of Ti3C 2Tx[56]; TEM images of (b) Ti3C2Tx, (c) D-Ti3C2Tx-50, and (d) R-Ti3C2Tx-15; (e) Schematic of the D-Ti3C2Tx and R-Ti3C2Tx formation mechanism[31]
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    2.3   表面复合

    与MXenes纳米材料相比，MXene基功能纳米材料经过一定程度的优化后具有更优越的物理化学性质，因此拥有更广泛的应用领域和更高的应用价值[59-61]。一般来讲，MXene基功能纳米材料通常由MXene和其他多维(0D、1D、2D) 纳米材料复合而成[35-46]。0D纳米材料一般是指尺寸在1~100 nm之间的颗粒，1D纳米材料通常包括纳米线、纳米管、纳米棒等，2D纳米材料通常包括纳米片、纳米薄膜等。Karimipour等[34]直接将添加剂3-磷丙酸(H3pp)加入MXene中超声20 min获得功能化的H3pp/MXene，之后将其旋涂于卤化物钙钛矿(HP)上，制得HP/H3pp/ MXene异质结，进而提高了钙钛矿太阳能电池的太阳能转化效率和使用寿命。Song等[35]通过原位沉积法将p型半导体NiO纳米颗粒与2D层状材料Ti3C2Tx MXene结合，构建了NiO-MXene异质结构。气敏性能测试结果表明NiO-MXene基传感器不仅在室温下对二甲苯有良好的响应(图 3a)，而且在170 ℃下对1 250 mg·m-3甲醛的响应比纯NiO基传感器高5.36倍(图 3b)。Yu等[39]通过膜转移工艺将制备的Ti3C2Tx薄膜从电极上转移到Si表面，在去除氧化层后，形成Ti3C2Tx/SiO2/Si异质结，结果表明有薄层SiO2的器件效率比没有的太阳能电池高出7倍以上。Xiao等[40]成功制备了1D CdS纳米棒/2D Ti3C2 MXene(CM)纳米片的多维异质结光催化剂。他们先通过静电组装使带正电荷的Cd2+与表面带负电的MXene组合，之后通过溶剂热法得到1D/2D复合结构。实验结果表明，异质结的形成加速了电子-空穴对的分离和更有效的电荷传输，使其析氢速率提高到2 407 μmol·g-1·h-1，是CdS催化剂的7倍(图 3c)。Chen等[41]从大豆秸秆中制得纳米纤维素(NFC)，并通过KOH和退火处理去除Ti3C2Tx表面的—F和—OH，然后将NFC和处理后的Ti3C2Tx制成悬浊液，真空抽滤得到Ti3C2Tx/NFC复合薄膜(图 3d)。实验结果表明，优化后的复合膜具有更大的抗拉强度(53.9 MPa) 和优异的电化学性能(图 3e)。Wang等[46]采用简单的水热法将ZnIn2S4、g-C3N4和Ti3C2纳米片复合成具有2D/2D/2D三明治结构的双异质结，170实现了高效的载流子分离和传输性能，提高了其光催化析氢速率(图 3f)。

    图 3

    图 3.  (a) NiO-MXene基传感器在室温下对二甲苯的响应曲线和(b) 不同工作温度下对1 250 mg·m-3甲醛的响应值[35]; (c) CdS/Ti3C2的光催化制氢性能[40]; Ti3C2T/NFC复合薄膜的(d) 制备示意图和(e) Nyquist曲线[41]; (f) ZnIn2S4/g-C3N4/Ti3C2双异质结的光催化HER活性[46]
    Figure 3.  (a) Response curves of the NiO-MXene based sensors to xylene at room temperature and (b) their response values to 1 250 mg·m-3 formaldehyde at different operating temperatures[35]; (c) Photocatalytic H2 evolution performance of CdS/Ti3C2[40]; (d) Schematic illustration and (e) Nyquist plots of Ti3C2Tx/NFC composite film[41]; (f) Photocatalytic HER activity of the ZnIn2S4/g-C3N4/Ti3C2 double heterojunction[46]

    Inset: corresponding enlarged plots.

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    2.4   交联

    2D MXene纳米片具有易堆积的缺点，而交联可以使其拥有更稳定的3D结构。与2D MXene纳米片相比，3D MXene具有更高的结构立体性、独特的多孔结构、高的比表面积和吸附性[47]。目前常用的交联方法有聚合物交联[12, 48]、分子/离子交联[49-50]和自交联[51]。

    Wang等[12]为解决MXene作为钠离子电池负极时离子扩散动力学缓慢的问题，引入了带正电荷的导电聚苯胺(PANI)，从而诱导表面带负电的碳化钛MXenes自组装成3D PANI/Ti3C2Tx网络(图 4a)，进而扩大了MXene的层间距。实验结果表明，带正电荷的物质(PANI和H+)可以触发带负电荷的Ti3C2Tx的自组装，实现3D PANI/Ti3C2Tx组装中的ζ电位完全从负值向正值的转变(图 4b)；另外，3D多孔结构可以明显降低离子传输阻力，增加电极/电解质的接触面积。对PANI/Ti3C2Tx网络、HCl/Ti3C2Tx和Ti3C2Tx的钠离子储存性能进行了测试，结果表明PANI/Ti3C2Tx网络具有最高的平均比容量(图 4c)。此外，Zheng等[49]开发了一种基于静电界面交联和结构定向的MXene基高性能柔性光纤超级电容器。他们采用四甲基氢氧化铵(TMAOH) 刻蚀Ti3AlC2，制得的MXene纳米片表面均匀分布着蚀刻产生的富氧阴离子基团，如[Al(OH) 4]-。间歇性摇晃后得到MXene向列相液晶(MXene LC)胶体(图 4d)。偏光显微镜(POM)图像表明MXene LC胶体倾向于沿着壳聚糖纺丝通道形成长程排列(图 4e)，进一步证明了MXene的宏观自组装。在湿法纤维组装过程中，阳离子凝固剂对MXene纤维内的结构取向和界面交联有显著的影响。阳离子作为相邻MXene纳米片之间的交联桥，与MXene表面的阴离子基团反应，由于静电界面交联，MXene纤维内的高度取向结构得到有效保持。由MXene纤维组装的超级电容器在401.9 mW·cm-3的功率密度下表现出优异电化学性能(77.6 mWh·cm-3)。

    图 4

    图 4.  (a) PAIN/MXene网络的SEM图像; Ti3C2Tx、HCl/Ti3C2Tx、PANI/Ti3C2Tx和PANI的(b) ζ电位和(c) 在100 mA·g-1的电流密度、不同温度下的比容量[12]; (d) MXene LC胶体的实物图; (e) MXene LC分散体在单轴通道中的POM图像[49]
    Figure 4.  (a) SEM image of PANI/Ti3C2Tx network; (b) ζ potentials and (c) specific capacities at a current density of 100 mA·g-1 at different temperatures of Ti3C2Tx, HCl/Ti3C2Tx, PANI/Ti3C2Tx, and PANI[12]; (d) Optical image of the MXene LC colloid; (e) POM images of MXene LC dispersion within a uniaxial channel[49]
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    3.   功能化MXenes的应用

    尽管MXenes具有高比表面积和性质可调节的独特优势，但在实际应用中仍面临诸多挑战。界面调控策略有效地弥补了传统MXenes的缺陷，并拓展了MXene基材料的应用领域。本部分将对表面功能化的MXene材料在能量存储、催化、光电探测、电磁屏蔽、污染物吸附以及生物医药等领域的应用进行总结。

    3.1   能量存储

    由于MXene优异的电化学性能，MXene基功能材料在能量存储方面有着巨大的应用潜力，常被应用于制造超级电容器和电池电极材料[62-64]。Yao等[62]为解决可充电铝电池循环性能差和扩散动力学过程缓慢等问题，设计了一种3D MXene包裹的嵌入了Co9S8纳米颗粒的多孔碳基泡沫复合材料(Co9S8 NP@NPC@MXene)。结果表明，MXene的引入抑制了Co9S8纳米颗粒的生长，同时也提高了电子传输速率，缩短了离子扩散距离。此外，与Co9S8纳米颗粒包裹的NPC复合材料(Co9S8 NP@NPC)相比，由Co9S8 NP@NPC@MXene组装的电池具有较高的可逆容量(在0.1 A·g-1的电流密度下循环100圈后，其比容量为277 mA h g-1，图 5a)、优异的倍率性能(可达1 A· g-1)且极化较低。值得注意的是，该策略还被成功应用于CoSe2电极，经改进后的CoSe2电极在1 A·g-1的电流密度下的放电容量高达288 mA·h·g-1，300次循环后的容量约为220 mA·h·g-1。Sun等[63]制备了一种具有3D中空神经元结构的可压缩MXene/N掺杂碳泡沫复合材料(MXene/NCF，图 5b)。实验结果表明，与MXene薄膜和NCF相比，MXene/NCF表现出优异的质量电容(332 F·g-1)和体积电容(3 162 mF· cm-3) (图 5c)，且10 000次循环后的容量保持率为99.2%(图 5d)。值得注意的是，基于MXene/NCF的全固态超级电容器仍然表现出理想的倍率性能和高可逆性的电荷存储能力。

    图 5

    图 5.  (a) Co9S8 NP@NPC@MXene和Co9S8 NP@NPC在0.1 A·g-1下的稳定性[62]; (b) MXene/NCF的形貌; MXene/NCF复合材料(c) 在不同电流密度下的体积电容和比电容及(d) 在100 mV·s-1的扫描速率下循环性能[63]
    Figure 5.  (a) Stability of Co9S8 NP@NPC@MXene and Co9S8 NP@NPC at 0.1 A·g-1 [62]; (b) Morphology of MXene/NCF; (c)Volumetric capacitance and specific capacitance at different current densities and (d) cycling performance at a scan rate of 100 mV·s-1 of the MXene/NCF composite[63]
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    3.2   催化

    光电化学对于绿色化学和可持续发展具有重大意义，而催化剂在其中扮演着重要的角色。经过界面优化后的MXene材料是高性能催化剂的有力候选者。MXene基催化剂的催化活性与其力学性能、表面性质、电子传递特性等均有一定的关系[65]，这些特性增加了其表面活性位点，有利于促进光生载流子的分离和转移。催化技术根据其作用方式的不同主要分为光催化和电催化。

    3.2.1   光催化

    光催化效率取决于3个关键决定因素：光吸收、电荷分离和界面催化反应。MXenes在光催化过程中可以促进电荷分离和转移，提供光催化活性位点，提高反应物的吸附[66]。Ruan等[67]采用静电自组装法制备了一种三元异质结光催化剂α - TiO2/H - TiO2/Ti3C2(MXTi)。由于界面工程和MXene片层间的协同作用，MXTi具有较宽的光吸收范围和有效的载流子传输能力，其光催化析氢速率可达0.387 mmol· h-1(图 6a)，催化原理如图 6b所示。Fan等[68]构建了Mo2TiC2 MXene/ZnCdS结构(图 6c)并用光催化产氢。实验结果表明，Mo2TiC2阻碍了ZnCdS的堆积，且2D Mo2TiC2与0D ZnCdS之间紧密的界面接触加速了电子传输，提高了电子-空穴对的分离效率，其中25% Mo2TiC2/ZnCdS表现出了最佳的光催化析氢活性(17.73 mmol·g-1·h-1)，是ZnCdS(5.62 mmol·g-1·h-1) 的3.15倍(图 6d、6e)。

    图 6

    图 6.  (a) 所制备的MXTi的HER性能对比(所有催化剂都使用Pt作为助催化剂); (b) 助催化作用和MXTi界面工程示意图[67]; (c) 25% Mo2TiC2/ZnCdS的TEM图; (d) ZnCdS、Mo2TiC2 MXene和25% Mo2TiC2/ZnCdS的光催化析氢活性; (e) ZnCdS、Mo2TiC2 MXene和Mo2TiC2/ZnCdS在可见光照射下的光催化产氢速率(λ≥420 nm)[68]
    Figure 6.  (a) Comparison of HER performance of the as-prepared MXTi (all the catalysts were using Pt as the cocatalyst); (b) Schematic diagram of cocatalysis and homo-interface engineering of MXTi[67]; (c) TEM image of 25% Mo2TiC2/ZnCdS; (d) Photocatalytic hydrogen evolution activities of ZnCdS, Mo2TiC2 MXene, and 25% Mo2TiC2/ZnCdS; (e) Photocatalytic H2 evolution rates of ZnCdS, Mo2TiC2 MXene, and Mo2TiC2/ZnCdS under visible light irradiation (λ≥420 nm)[68]
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    3.2.2   电催化

    MXenes由于其独特的表面化学性质，如高比表面积、丰富的表面官能团、可调的表面电荷状态，以及高电导率被广泛应用于电催化领域。Wang等[69]采用十六烷基三甲基溴化铵(CTAB)对MXene表面进行修饰，制备得到催化剂CT-MX。该方法使MXene催化剂的表面疏水性增加，抑制了氮还原反应过程中的析氢反应，在-0.7 V(vs RHE)的条件下(图 7a)，氨的产生速率从37.62 μg·h-1·mgcat-1提高到54.01 μg·h-1·mgcat-1，法拉第效率从5.5% 提高到18.1%。Cai等[70]通过在Ti3C2表面引入末端氧官能团，以揭示其电催化活性位点，并提出了硝酸根与Ti3C2表面—OH之间形成氢键作用的新型反应机理(图 7b)。该机理很好地解释了Ti3C2纳米片上的表面—OH基团在硝酸盐的分步还原-加氢过程中的关键作用，同时也解释了对H2析出的抑制。此外，Xiao等[71]构建的准1D蠕虫状钯纳米晶与带正电荷的聚电解质修饰的Ti3C2Tx MXene的复合物(Pd NWs/PDDAMX)表现出优异的电催化性能，其电化学活性表面积(ECSA)高达105.3 m2·g-1，电流密度高达1 526.5 mA·mg-1(图 7c)。Zhang等[72]通过自上而下的方法制备了菱形铑纳米片(Rh NS)和MXene异质结材料，其具有大比表面积和强界面作用，表现出优异的电催化甲醇氧化性能，ECSA高达126.2 m2·g-1，电流密度高达1 056.9 mA·mg-1(图 7d、7e)，使用寿命长。Huang等[73-74]构建的MoS2量子点/MXene和Pd纳米片/MXene催化剂分别表现出优异的HER性能和甲醇氧化性能。

    图 7

    图 7.  (a) 不同电位下CT-MX的NH3产率和法拉第效率[69]; (b) NO3-与Ti3C2表面上的—OH之间的氢键作用[70]; (c) 不同催化剂的ECSA和质量活性[71]; (d) Rh NS/MXene的TEM图像; (e) 不同催化剂的ECSA和电流密度[72]
    Figure 7.  (a) NH3 yield rates and Faraday efficiencies of CT-MX at different potentials[69]; (b) Hydrogen bonding mechanism of NO3- and —OH-terminated MXene[70]; (c) ECSA and mass activities for various catalysts[71]; (d) TEM image of Rh NS/MXene; (e) ECSA and current density of the diverse catalysts[72]
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    3.3   传感

    传感器能够感知环境的信息并将其转化为电信号，在环境检测、生物医疗、人工智能等方面有着广泛的应用。功能化的MXenes由于具有高导电性、优异的信噪比和丰富的表面基团，被认为是制作传感器的新型材料。Yang等[75]提出了一种高气敏度和压敏度的MXene基可降解传感器。他们将采用超声喷雾热解技术制备的3D多孔皱褶MXene球作为传感层，与水溶性聚乙烯醇基质一起嵌入图案化的MXene电极。实验结果表明该传感器实现了高选择性的二氧化氮传感(图 8a)，响应高达12.11%(图 8b)，具有极宽的线性压力检测范围(0.14~ 22.22 kPa，图 8c) 和快速响应时间(34 ms，图 8d)。Zhang等[76]制备了碳纳米管(CNT)、聚3，4-乙烯二氧噻吩(PEDOT)、聚苯乙烯磺酸(PSS)改性的MXene复合薄膜(MXene/CNT/PEDOT∶PSS，MCP)。MCP抗拉强度显著提高了2.4倍(图 8e)，同时电磁干扰(EMI)屏蔽效率提高到59 dB(图 8f)。该薄膜还具有良好的自热能力，因此利用其热电效应可传感呼吸速率，在与心率监测相结合后，可以实现人体健康的实时监测。Li等[77]采用原位生长的方法设计了一种基于MXene/Ag纳米颗粒异质结构电极的压电离子传感器。图 8g为其自供电传感机理：外部机械刺激促使离子迁移产生浓度梯度，进而产生电信号并通过电信号区分弯曲方向(图 8h)。实验结果表明，在0.7%应变的弯曲变形下，传感器能够输出11.1 mV的电压，在13 000 s左右的循环变形下，电压能够保持稳定(图 8i)。

    图 8

    图 8.  (a) MXene基传感器在不同NO2浓度下的动态响应-恢复曲线; (b) MXene基传感器连续3次响应NO2的动态响应-恢复曲线; (c) MXene基传感器的压力响应曲线(插图：压力响应曲线的线性范围); (d) 加载压力为55.56 kPa时MXene基传感器的压力响应时间[75]; (e) MCP复合薄膜的拉伸强度; (f) X波段MCP薄膜的EMI屏蔽效率[76]; (g) 弯曲变形下基于离子迁移的压电离子传感器的传感机理; (h) 传感器对弯曲方向变化的电压响应; (i) 传感器的弯曲稳定性[77]
    Figure 8.  (a) Dynamic response-recovery curve of sensors based on MXene in the different concentrations of NO2; (b) Dynamic response recovery curves of MXene based-sensors in response to NO2 for three consecutive times; (c) Pressure response value curve of MXene (Inset: linear range of pressure response curve); (d) Pressure response time at a loading pressure of 55.56 kPa[75]; (e) Tensile strength of the MCP film; (f) EMI-shielding efficiencies of the MCP film in X-band[76]; (g) Sensing mechanism of the piezoionic sensor based on ion migration under bending deformation; (h) Voltage response of the sensor to the change of bending direction; (i) Bending stability of the sensor[77]
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    3.4   光电探测

    光电探测器在光通信、光电子、光检测、生物传感等领域具有重要的应用价值。为满足实际应用需求，亟需开发高灵敏度、高带宽、低热损和抗电磁干扰的光电探测器[78-82]。表面功能化MXenes具有优异的电子性质，能够改善光电探测器的光吸收能力，提高载流子迁移率，增强光生载流子分离效率[60-61]。Han等[83]利用Ti3C2作为中间层显著提高了MAPbI3薄膜的压电性能，利用MXene表面的—OH诱导MAPbI3中的甲胺(MA+)基团以增强极化(—F的效果相反)，进而制备了基于MAPbI3/MXene异质结构的柔性钙钛矿光电探测器。由于压电光电子效应，MAPbI3/MXene光电探测器在325~780 nm范围内具有较高的光电输出能力(图 9a)和较短的响应时间(2 ms)，在施加-1.2% 的压缩应变后，普通光电流比不施加应变时显著增加了102%(图 9b)，热光电流显著增加了76%(图 9c)。Luo等[84]采用简单的滴涂法，在图案化蓝宝石衬底上制备了低缺陷MXene- GaN-MXene基多量子阱光电探测器。与传统的Cr/ Au电极的金属- 半导体- 金属光电探测器相比，MXene基电极的使用提高了响应度，显著降低了暗电流(与传统的Cr/Au-GaN-Cr/Au光电探测器相比，MXene-GaN-MXene的暗电流降低了3个数量级)，改善了噪声光谱强度。此外，MXene-GaN-MXene光电探测器实测响应度和比探测率分别高达64.62 A· W-1(图 9d)和1.93×1012 cm·Hz1/2·W-1(图 9e)，带宽约为1 167 Hz，可作为水下光学探测和通信的潜在候选者。Montazeri等[85]用MXene替代Au，制备了Ti3C2/ GaAs光电探测器，该器件表现出更高的响应度和量子效率、更好的动态范围和探测率，且制作工艺简单，具有广泛的应用前景。

    图 9

    图 9.  (a) MAPbI3/MXene光电探测器在不同波长下光电响应与激光功率密度的关系; (b) MXene层的存在对响应度的影响; (c) 不同应变下的光电流和热电光电流[83]; MXene-GaN-MXene光电探测器的(d) 响应度和(e) 不同波长下的拟合参数β和比探测率[84]
    Figure 9.  (a) Relationship between photoelectric response and laser power density of the MAPbI3 /MXene photoelectric detector under different wavelengths; (b) Responsivity with/without the MXene layer; (c) Photocurrent and pyro-phototronic current under different strains[83]; (d) Responsivity and (e) fitting parameters β and the specific detectivities under illumination with different wavelengths of the MXene-GaN-MXene photoelectric detector[84]
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    3.5   电磁屏蔽

    电磁干扰是现代发展中的重要问题，是导致癌症突变和心血管疾病的原因之一，同时会导致电子设备信号失真、性能下降。因此，电磁屏蔽材料引起了人们广泛的关注。由于MXene基表面功能材料具有高导电性和低红外发射率，其表现出优异的电磁屏蔽性能。Chang等[86]通过简单的滴涂和疏水改性法制备了超薄柔性MXene/银纳米线(AgNWs)/ 聚(3，4-乙烯二氧噻吩)(PEDOT): 聚苯乙烯磺酸盐(PSS)电磁屏蔽复合涂层，该涂层在10 μm的厚度下表现出优异的电磁屏蔽效能(31.5 dB)(图 10a)，远超大多数已报道的聚合物基电磁屏蔽复合材料在相同厚度下的电磁屏蔽效能。Hassan等[87]通过强氢键作用制备了多功能的Al - Ti3C2Tx/碳纳米管(CNT) Janus膜。其中MXene与CNT质量比为1∶1的Janus膜的电导率为4 250 S·cm-1，其在X波段范围内具有72 dB的总电磁屏蔽效能(图 10b)，表现出优异的绝对屏蔽效能(34 006 dB·cm2·g-1)，在经历300次弯曲循环和温差达396 ℃的热冲击后，其电磁屏蔽能力仍具有较好的稳定性(图 10c)。Mai等[88]通过原位外延生长和热解法制备了由MOF衍生的钴空心碳笼(Co-HCC)。随后，通过交替真空辅助过滤(AVAF)法设计了具有交替电磁结构的空心MOF/层状MXene/纳米纤维素(HMN)复合薄膜，其总饱和磁化强度为5 emu·g-1。MXene层电导率呈现递增趋势，中空MOF层的饱和磁化强度呈现递减的趋势(图 10d)。HMN薄膜结合了高导电性的MXene与高磁性的Co- HCC，其总屏蔽效能达45.6 dB(图 10e)。此外，他们证实了多层电磁交替结构对材料屏蔽性能的影响，如图 10e所示，当复合薄膜层数为5层，HMN-5L- 57.1% 薄膜的屏蔽效能最高，在X波段(43.7 dB)、Ku波段(36.0 dB)、K波段(60.9 dB)、Ka波段(66.8 dB)均有优秀的电磁屏蔽效能，有利于满足不同领域对电磁屏蔽频段的个性化需求。

    图 10

    图 10.  (a) MXene/AgNWs/PEDOT∶PSS复合涂层的EMI屏蔽性能[86]; Al-Ti3C2Tx/CNT Janus膜的(b) EMI屏蔽性能和(c) 稳定性[87]; (d) HMN复合薄膜的导电性和磁性; (e) 不同Ti3C2Tx含量的HMN复合薄膜的EMI屏蔽性能[88]; (f) Ti2CTx吸附MB的循环稳定性[89]
    Figure 10.  (a) EMI-shielding capabilities of the MXene/AgNWs/PEDOT∶PSS composite coating[86]; (b) EMI-shielding capabilities and (c) stability of the Al-Ti3C 2Tx/CNT Janus film[87]; (d) Conductivity and magnetism of HMN-5L-57.1% composite films; (e) EMI-shielding capabilities of the HMN composite films with different Ti3C2Tx contents[88]; (f) Reusability study of Ti2CTx for MB adsorption[89]
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    3.6   污染物的吸附和降解

    随着环境污染问题的日益严重，人们越发重视绿色可持续发展。水污染是环境污染中的重大问题，其中废水治理对自然和生存环境至关重要。废水色度高、成分复杂、含有重金属离子、有机污染物等，目前常用吸附、萃取、过滤和化学沉淀等方法对其进行净化。由于MXenes具有亲水性、高比表面积和良好的机械强度等优点，MXene基功能材料有望成为潜在的污染物吸附剂。Asif等[17]通过浸涂技术有效地合成了MXene和壳聚糖包覆的聚氨酯杂化材料，该材料可以通过静电物理吸附从水溶液中去除Cr。Sun等[89]通过对Ti2AlC的Al层进行蚀刻和超声剥离，成功合成了一种新型的Ti2CTx，所制备的Ti2CTx具有带负电荷的表面，对去除亚甲蓝(MB)具有良好的吸附性能，最大吸附量为2 460.9 mg· g-1，在一定条件下运行4次后，Ti2CTx能够保持吸附能力的稳定性，说明Ti2CTx具有良好的循环使用性(图 10f)。

    3.7   生物医药

    MXenes具有丰富的表面基团和良好的亲水性，可作为优秀的导电基底，有着高载药能力和优秀的生物相容性，而且其可通过界面调控实现多功能化的特点使其在生物医疗领域发挥重要作用。Zhu等[90]采用滴涂的方法将Ti3C2Tx均匀涂覆于聚左旋乳酸(PLLA) 纳米纤维表面，制备了有序的MXene/ PLLA生物材料支架(M-ANF)和乱序的MXene/PLLA生物材料支架(M-RNF)。他们通过免疫染色和实时定量聚合物链反应(RT-qPCR)分析了神经干细胞(NSC)在不同生物材料骨架上的分化。该实验使用βⅢ-微管蛋白(Tuj1)和胶质纤维酸性蛋白(GFAP)分别作为神经元和星形胶质细胞的特异性标志物。实验结果表明，与没有MXene涂层的有序PLLA生物材料支架(ANF)和乱序PLLA生物材料支架(RNF)组相比，M-ANF和M-RNF组中神经干细胞分化的神经元和星形胶质细胞的百分比同时增加。并且，通过神经突生长的形态学特征，研究了Ti3C2Tx MXene涂层对神经干细胞分化的神经元成熟情况的影响。图 11是使用Image J软件构建的NSC分化的神经元细胞骨架，由图可以观察到M-ANF上的神经元分支最多、最长。此外，Ti3C2Tx的表面修饰还减轻了植入PLLA纳米纤维的体内异物反应，其表面官能团优化了PLLA的生物黏附性和表面功能化。Liu等[91]采用Au纳米颗粒作为桥梁，将MXene与巯基-聚乙二醇-醛基(SH-PEG-CHO)链结合，合成了一种药物传递平台(MXene@Au-PEG)，该平台可通过碳氮双键负载化疗药物阿霉素(DOX)，且具有近红外激光触发和pH响应触发的2种药物释放模式。

    图 11

    图 11.  NSC来源的神经元在ANF、M-ANF、RNF和M-RNF分化培养基上培养7 d的2D结构(顶部)和Sholl分析(底部)的同心圆环的轮廓(标尺: 100 μm)[90]
    Figure 11.  Contours of 2D structures (top) and concentric rings for Sholl analysis (bottom) of NSC-derived neurons cultured on ANF, M-ANF, RNF, and M-RNF in differentiation medium for 7 d (Scale bar: 100 μm)[90]
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    4.   总结与展望

    MXenes具有优异的导电性、高强度、高比表面积、良好的亲水性和光热效应，在下一代功能性器件中有广泛的应用潜力，然而其同样具有易氧化、堆积、稳定性差的缺点。得益于MXenes表面丰富的官能团和活性位点，通过不同的界面调控策略(表面基团控制、表面吸附、表面复合/异质结、交联等)可以得到不同功能化的MXene材料。采用不同的制备方式可以制得具有不同表面官能团的MXenes：通过小分子或聚合物的修饰可以钝化MXenes表面的缺陷，得到改性的MXenes和混合维的MXenes；通过交联的方式制得3D多孔MXenes。这些方法均能明显提升MXenes的性能(如能量存储、催化、光电探测、电磁屏蔽和污染物吸附性能等)。然而，基于MXene功能化材料的应用不会止步于此，仍需开发出更多环保、简单、低成本、合理且精确的界面调控机制以助力探索MXenes的应用潜能。虽然2D MXenes的界面调控机制及其应用研究近年来得到快速发展，但其机制研究和实际应用仍存在巨大挑战：(1) 基于MXenes界面调控的实验和理论机制研究仍有许多不确定性亟待解决，包括杂原子/分子/其他纳米结构与MXenes之间的电子传递和能量转移的实时观测，以及许多在特定活动中起决定性作用的重要因素(如物理化学和电子性质)等；此外，应着重开发先进的原位表征技术，如原位拉曼和原位XPS，以实时监测MXenes上的原子演化，为高性能MXenes纳米结构的设计提供基础指导；(2) 多功能2D MXenes的设计和开发，不仅是为了提高单一性能(如电磁干扰屏蔽或光电探测)，也是为了促进功能性2D MXenes的多学科交叉联合应用。


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  • 图 1  (a) Ti3AlC2表面改性的两步合成路线以及(b) Ti3C2OH的NH3产率[23]; (c) 通过NaOH和退火处理制备AM/BC薄膜的示意图; (d) 纯MXene和(e) 碱性退火处理后AM/BC-0.2薄膜截面的SEM-EDS图[28]

    Figure 1  (a) Illustration of the two-step synthetic route for Ti3AlC2 with surface modification and (b) NH3 yield rates of Ti3C2OH[23]; (c) Scheme showing the preparation the AM/BC film through NaOH and annealing treatment; Cross-section SEM-EDS mappings of (d) pure MXene and (e) the AM/BC-0.2 film[28]

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    图 2  (a) pH对Ti3C2Tx吸附尿素的影响[56]; (b) Ti3C2Tx、(c) D-Ti3C2Tx-50和(d) R-Ti3C2Tx-15的TEM图; (e) D-Ti3C2Tx和R-Ti3C2Tx的形成机理示意图[31]

    Figure 2  (a) Effect of pH on urea adsorption of Ti3C 2Tx[56]; TEM images of (b) Ti3C2Tx, (c) D-Ti3C2Tx-50, and (d) R-Ti3C2Tx-15; (e) Schematic of the D-Ti3C2Tx and R-Ti3C2Tx formation mechanism[31]

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    图 3  (a) NiO-MXene基传感器在室温下对二甲苯的响应曲线和(b) 不同工作温度下对1 250 mg·m-3甲醛的响应值[35]; (c) CdS/Ti3C2的光催化制氢性能[40]; Ti3C2T/NFC复合薄膜的(d) 制备示意图和(e) Nyquist曲线[41]; (f) ZnIn2S4/g-C3N4/Ti3C2双异质结的光催化HER活性[46]

    Figure 3  (a) Response curves of the NiO-MXene based sensors to xylene at room temperature and (b) their response values to 1 250 mg·m-3 formaldehyde at different operating temperatures[35]; (c) Photocatalytic H2 evolution performance of CdS/Ti3C2[40]; (d) Schematic illustration and (e) Nyquist plots of Ti3C2Tx/NFC composite film[41]; (f) Photocatalytic HER activity of the ZnIn2S4/g-C3N4/Ti3C2 double heterojunction[46]

    Inset: corresponding enlarged plots.

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    图 4  (a) PAIN/MXene网络的SEM图像; Ti3C2Tx、HCl/Ti3C2Tx、PANI/Ti3C2Tx和PANI的(b) ζ电位和(c) 在100 mA·g-1的电流密度、不同温度下的比容量[12]; (d) MXene LC胶体的实物图; (e) MXene LC分散体在单轴通道中的POM图像[49]

    Figure 4  (a) SEM image of PANI/Ti3C2Tx network; (b) ζ potentials and (c) specific capacities at a current density of 100 mA·g-1 at different temperatures of Ti3C2Tx, HCl/Ti3C2Tx, PANI/Ti3C2Tx, and PANI[12]; (d) Optical image of the MXene LC colloid; (e) POM images of MXene LC dispersion within a uniaxial channel[49]

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    图 5  (a) Co9S8 NP@NPC@MXene和Co9S8 NP@NPC在0.1 A·g-1下的稳定性[62]; (b) MXene/NCF的形貌; MXene/NCF复合材料(c) 在不同电流密度下的体积电容和比电容及(d) 在100 mV·s-1的扫描速率下循环性能[63]

    Figure 5  (a) Stability of Co9S8 NP@NPC@MXene and Co9S8 NP@NPC at 0.1 A·g-1 [62]; (b) Morphology of MXene/NCF; (c)Volumetric capacitance and specific capacitance at different current densities and (d) cycling performance at a scan rate of 100 mV·s-1 of the MXene/NCF composite[63]

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    图 6  (a) 所制备的MXTi的HER性能对比(所有催化剂都使用Pt作为助催化剂); (b) 助催化作用和MXTi界面工程示意图[67]; (c) 25% Mo2TiC2/ZnCdS的TEM图; (d) ZnCdS、Mo2TiC2 MXene和25% Mo2TiC2/ZnCdS的光催化析氢活性; (e) ZnCdS、Mo2TiC2 MXene和Mo2TiC2/ZnCdS在可见光照射下的光催化产氢速率(λ≥420 nm)[68]

    Figure 6  (a) Comparison of HER performance of the as-prepared MXTi (all the catalysts were using Pt as the cocatalyst); (b) Schematic diagram of cocatalysis and homo-interface engineering of MXTi[67]; (c) TEM image of 25% Mo2TiC2/ZnCdS; (d) Photocatalytic hydrogen evolution activities of ZnCdS, Mo2TiC2 MXene, and 25% Mo2TiC2/ZnCdS; (e) Photocatalytic H2 evolution rates of ZnCdS, Mo2TiC2 MXene, and Mo2TiC2/ZnCdS under visible light irradiation (λ≥420 nm)[68]

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    图 7  (a) 不同电位下CT-MX的NH3产率和法拉第效率[69]; (b) NO3-与Ti3C2表面上的—OH之间的氢键作用[70]; (c) 不同催化剂的ECSA和质量活性[71]; (d) Rh NS/MXene的TEM图像; (e) 不同催化剂的ECSA和电流密度[72]

    Figure 7  (a) NH3 yield rates and Faraday efficiencies of CT-MX at different potentials[69]; (b) Hydrogen bonding mechanism of NO3- and —OH-terminated MXene[70]; (c) ECSA and mass activities for various catalysts[71]; (d) TEM image of Rh NS/MXene; (e) ECSA and current density of the diverse catalysts[72]

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    图 8  (a) MXene基传感器在不同NO2浓度下的动态响应-恢复曲线; (b) MXene基传感器连续3次响应NO2的动态响应-恢复曲线; (c) MXene基传感器的压力响应曲线(插图：压力响应曲线的线性范围); (d) 加载压力为55.56 kPa时MXene基传感器的压力响应时间[75]; (e) MCP复合薄膜的拉伸强度; (f) X波段MCP薄膜的EMI屏蔽效率[76]; (g) 弯曲变形下基于离子迁移的压电离子传感器的传感机理; (h) 传感器对弯曲方向变化的电压响应; (i) 传感器的弯曲稳定性[77]

    Figure 8  (a) Dynamic response-recovery curve of sensors based on MXene in the different concentrations of NO2; (b) Dynamic response recovery curves of MXene based-sensors in response to NO2 for three consecutive times; (c) Pressure response value curve of MXene (Inset: linear range of pressure response curve); (d) Pressure response time at a loading pressure of 55.56 kPa[75]; (e) Tensile strength of the MCP film; (f) EMI-shielding efficiencies of the MCP film in X-band[76]; (g) Sensing mechanism of the piezoionic sensor based on ion migration under bending deformation; (h) Voltage response of the sensor to the change of bending direction; (i) Bending stability of the sensor[77]

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    图 9  (a) MAPbI3/MXene光电探测器在不同波长下光电响应与激光功率密度的关系; (b) MXene层的存在对响应度的影响; (c) 不同应变下的光电流和热电光电流[83]; MXene-GaN-MXene光电探测器的(d) 响应度和(e) 不同波长下的拟合参数β和比探测率[84]

    Figure 9  (a) Relationship between photoelectric response and laser power density of the MAPbI3 /MXene photoelectric detector under different wavelengths; (b) Responsivity with/without the MXene layer; (c) Photocurrent and pyro-phototronic current under different strains[83]; (d) Responsivity and (e) fitting parameters β and the specific detectivities under illumination with different wavelengths of the MXene-GaN-MXene photoelectric detector[84]

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    图 10  (a) MXene/AgNWs/PEDOT∶PSS复合涂层的EMI屏蔽性能[86]; Al-Ti3C2Tx/CNT Janus膜的(b) EMI屏蔽性能和(c) 稳定性[87]; (d) HMN复合薄膜的导电性和磁性; (e) 不同Ti3C2Tx含量的HMN复合薄膜的EMI屏蔽性能[88]; (f) Ti2CTx吸附MB的循环稳定性[89]

    Figure 10  (a) EMI-shielding capabilities of the MXene/AgNWs/PEDOT∶PSS composite coating[86]; (b) EMI-shielding capabilities and (c) stability of the Al-Ti3C 2Tx/CNT Janus film[87]; (d) Conductivity and magnetism of HMN-5L-57.1% composite films; (e) EMI-shielding capabilities of the HMN composite films with different Ti3C2Tx contents[88]; (f) Reusability study of Ti2CTx for MB adsorption[89]

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    图 11  NSC来源的神经元在ANF、M-ANF、RNF和M-RNF分化培养基上培养7 d的2D结构(顶部)和Sholl分析(底部)的同心圆环的轮廓(标尺: 100 μm)[90]

    Figure 11  Contours of 2D structures (top) and concentric rings for Sholl analysis (bottom) of NSC-derived neurons cultured on ANF, M-ANF, RNF, and M-RNF in differentiation medium for 7 d (Scale bar: 100 μm)[90]

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    表 1  MXenes的常用制备方法

    Table 1.  Common fabrication methods of MXenes

    Synthesis strategy Etchant MXene Ref.
    Fluoride etching HF Ti3C2Tx [6]
    LiF+HCl Ti3C2Tx [8]
    Molten salt synthesis method ZnCl2 Ti3C2Tx/Ti2CTx [9]
    CuCl2 Nb2CCl2
    Electrochemical etching LiOH+LiCl Ti3C2Tx [10]
    KOH Nb2CTx [11]
    Intercalation method Tetrabutylammon-ium hydroxide Ti3C2Tx [12]
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    表 2  MXenes的界面调控常用策略

    Table 2.  Commonly used interface regulation strategies of MXenes

    Strategy Classify Sample Regulatory methods or conditions Ref.
    Surface group T=F, O, OH Ti3C2Tx (T=F, O, OH) Fluoride etching [6, 8]
    control T=O Ti3C2O Solvothermal method and saponification [23]
    Ti3C2O LiCl-KCl-K2CO3 molten salt treatment [24]
    T=X (X=Cl, Br, I, ClBr, ClI, BrI, ClBrI, Cl2) Ti3C2Tx (T=Cl) CuCl2 molten salt treatment [25]
    Ti3C2Tx (T=Cl, Br, I, ClBr, ClI, BrI, ClBrI) CuCl2/CuBr2/CuI molten salt treatment [26]
    Ti2CCl2 Chemical vapor deposition [27]
    Others Ti3C2Tx (T=Na, O) Bacterial cellulose and NaOH treatments [28]
    Ti3C2Tx (T=O, S, Se, Te, NH) Substitution and elimination reactions [29]
    Surface adsorption Action of static electricity Ti3C2Tx passivated by an amino group Amino acid passivation [30]
    Ti3C2Tx passivated by Rh3+ and the amino group Passivation of ethanolamine and RhCl3 [31]
    Hydrogen-bonding interactions 1, 3, 6, 8-tetra(p-benzoic acid)pyrene/Ti3C2Tx —COOH forms hydrogen bonds with hydroxyl groups on the Ti3C2Tx surface [32]
    Trisodium 1, 2, 4-benzenetricarboxylate/Ti3C2Tx —COOH forms hydrogen bonds with hydroxyl groups on the Ti3C2Tx surface [33]
    Surface 0D/MXene NiO/Ti3C2Tx In situ precipitation [35]
    recombination ZnS/Ti3C2Tx Ultrasonic vibration [36]
    Ni/Ti3C2Tx/Cu Physical mixing, reduction, and hot pressing [37]
    Bi2.88Fe5O12-x/Ti3C2Tx Electrostatic assembly [38]
    1D/MXene CdS nanorod/Ti3C2Tx Solvothermal method [40]
    Nanocellulose/Ti3C2Tx Annealing and vacuum filtration [41]
    Na3Ti5O12 nanowire/Ti3C2Tx Treated with cetyltri-methylammonium bromideand NaOH [42]
    2D/MXene Ti3C2Tx/MoS2 nanosheets Hydrothermal method [43]
    Ti3C2Tx/restore oxidation graphene Physical mixing and electrostatic assembly [44]
    Nb2C/Ti3C2Tx Chemical etching [45]
    Multi-dimension/MXene ZnIn2S4/g-C 3N4/Ti3C2Tx Hydrothermal method [46]
    Cross linking Polymer cross-linking Conducting polyaniline/Ti3C2Tx Electrostatic assembly [12]
    Polycationic polyethyleneimine/Ti3C2Tx Electrostatic assembly and crosslinking of hydrogen bonds [48]
    Molecular/ionic cross-linking Ti3C2Tx cross-linked by Al(OH)4- Electrostatic assembly [49]
    Ti3C2Tx/polyvinyl alcohol hydrogel cross-linked by Zn2+ Physical mixing [50]
    Self-crosslinking Ti3C2Tx Vacuum filtration and heat treatment [51]
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  • 发布日期:  2025-08-10
  • 收稿日期:  2024-12-05
  • 修回日期:  2025-06-14
通讯作者: 陈斌, bchen63@163.com
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    沈阳化工大学材料科学与工程学院 沈阳 110142

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