新型二维材料MXene的研究进展
发布时间：2019-09-10 18:05
【摘要】：MXene是一种新型的二维过渡金属碳化物或碳氮化物,具有类似石墨烯的二维结构,其化学通式是M_(n+1)X_nT_z,n=1,2,3,其中M为早期过渡金属元素,X为碳或氮元素,T为表面链接的F~-、OH~-、O~(2-)等活性官能团。通过化学液相法可以选择性蚀刻掉MAX相中的A元素得到相应的MXene相。现今较为成熟的制备方法是HF蚀刻法。对MXene的结构与性能进行的第一性原理计算表明,其具有独特的二维层状结构、较大的比表面积及良好的导电性、稳定性、磁性能和力学性能,已广泛应用于储能、催化、吸附等多处领域。本文综述了类石墨烯二维材料MXene的理论、制备和应用方面的研究进展,并对现有挑战和未来发展提出了建议。随着研究的进一步深入,MXene将被应用于更广泛的领域。
【图文】：
方法(化学液相蚀刻法)将A层从结构中去除,从而获得一种新型的二维堆叠层状结构。迄今为止,已成功制备出了Ti2C、Ti3C2、Ti3CN、V2C、Nb2C、TiNbC、Nb4C3、Ta4C3、(Ti0.5Nb0.5)2C和(V0.5Cr0.5)3C2等MXene相[10,21-23]。MAX这种新型陶瓷材料综合了陶瓷和金属的优点[24],并由于具有独特的层状结构,自润滑、高韧性、可导电,可用作涂料的保护层、催化剂、高温结构材料、润滑材料等。而由MAX相制得的MXene在具有二维片层状结构的同时兼具表面亲图1MAX相元素在元素周期表上的位置,插图为MAX相的原子簇示意图[11]Fig.1Fragmentoftheperiodictable,showingelementsformingMAXphaseswithgeneralcompositionMn+1AXn.InsetisanexampleofpackingmotiffortheMAXphases[11]图2三种MAX相的结构示意图Fig.2StructurediagramsofthreetypicalMAXphases水性、金属导电性及优良的电化学性能等,有望用于储能、催化、吸附、储氢、传感器以及新型聚合物增强基复合材料等诸多领域。迄今为止,已发现了60多种MAX相材料[16]。由于MAX相数量众多,含有多种元素,所以蚀刻MAX可以得到大量具有特殊性能的MXene,这对于二维材料的发展具有深远的影响。本文综述了现阶段报道的有关MXenes的理论、制备技术和应用等方面的研究成果,并对存在的问题进行了分析与展望。
构,将这种新材料命名为MXenes相材料。制备MXene的前驱体是MAX相。20世纪60年代,Nowotny团队[12]率先提出了三元过渡金属碳化物或碳氮化物的概念,此后又发现了多种具有类似结构的化合物,直到2000年Barsoum等[13]将这类材料统称为Mn+1AXn(MAX)相材料。图1所示为MAX相元素在元素周期表中的位置,其中M为过渡族金属元素,A为Ⅲ或Ⅳ族元素[14-15],X为C或N元素,n一般为1,2或3[16-17]。MXene的化学通式是Mn+1XnTz,T表示的是其表面链接的羟基、氧离子或氟离子等活性官能团[18-19]。如图2所示,根据n取值的不同,可将MAX分为211系(如Ti2SnC)、312系(如Ti3SiC2)和413系(如Ti4AlN3)。MAX属于六方晶系,是由交替排列的Mn+1Xn片层与紧密堆积的A原子层连接而成,其中,M-X原子层间主要是共价键和离子键,M-A原子层间主要以金属键相连,与M X键相比,M A键结合力较弱,因而A层原子反应活性比较高,易于剥离开来[20]。即通过适当的方法(化学液相蚀刻法)将A层从结构中去除,从而获得一种新型的二维堆叠层状结构。迄今为止,已成功制备出了Ti2C、Ti3C2、Ti3CN、V2C、Nb2C、TiNbC、Nb4C3、Ta4C3、(Ti0.5Nb0.5)2C和(V0.5Cr0.5)3C2等MXene相[10,21-23]。MAX这种新型陶瓷材料综合了陶瓷和金属的优点[24],并由于具有独特的层状结构,自润滑、高韧性、可导电,可用作涂料的保护层、催化剂、高温结构材料、润滑材料等。而由MAX相制得的MXene在具有二维片层状结构的同时兼具表面亲图1MAX相元素在元素周期表上的位置,插图为MAX相的原子簇示意图[11]Fig.1Fragmentoftheperiodictable,showingelementsformingMAXphas
【作者单位】： 河海大学力学与材料学院;
【基金】：江苏省自然科学基金(BK20161506) 中央高校科研业务费(2013B34414,2015B01914,2016B45614) 高性能陶瓷与超微结构国家重点实验室开放基金(SKL201401SIC)~~
【分类号】：TB30
本文编号：2534160
【图文】：
方法(化学液相蚀刻法)将A层从结构中去除,从而获得一种新型的二维堆叠层状结构。迄今为止,已成功制备出了Ti2C、Ti3C2、Ti3CN、V2C、Nb2C、TiNbC、Nb4C3、Ta4C3、(Ti0.5Nb0.5)2C和(V0.5Cr0.5)3C2等MXene相[10,21-23]。MAX这种新型陶瓷材料综合了陶瓷和金属的优点[24],并由于具有独特的层状结构,自润滑、高韧性、可导电,可用作涂料的保护层、催化剂、高温结构材料、润滑材料等。而由MAX相制得的MXene在具有二维片层状结构的同时兼具表面亲图1MAX相元素在元素周期表上的位置,插图为MAX相的原子簇示意图[11]Fig.1Fragmentoftheperiodictable,showingelementsformingMAXphaseswithgeneralcompositionMn+1AXn.InsetisanexampleofpackingmotiffortheMAXphases[11]图2三种MAX相的结构示意图Fig.2StructurediagramsofthreetypicalMAXphases水性、金属导电性及优良的电化学性能等,有望用于储能、催化、吸附、储氢、传感器以及新型聚合物增强基复合材料等诸多领域。迄今为止,已发现了60多种MAX相材料[16]。由于MAX相数量众多,含有多种元素,所以蚀刻MAX可以得到大量具有特殊性能的MXene,这对于二维材料的发展具有深远的影响。本文综述了现阶段报道的有关MXenes的理论、制备技术和应用等方面的研究成果,并对存在的问题进行了分析与展望。
构,将这种新材料命名为MXenes相材料。制备MXene的前驱体是MAX相。20世纪60年代,Nowotny团队[12]率先提出了三元过渡金属碳化物或碳氮化物的概念,此后又发现了多种具有类似结构的化合物,直到2000年Barsoum等[13]将这类材料统称为Mn+1AXn(MAX)相材料。图1所示为MAX相元素在元素周期表中的位置,其中M为过渡族金属元素,A为Ⅲ或Ⅳ族元素[14-15],X为C或N元素,n一般为1,2或3[16-17]。MXene的化学通式是Mn+1XnTz,T表示的是其表面链接的羟基、氧离子或氟离子等活性官能团[18-19]。如图2所示,根据n取值的不同,可将MAX分为211系(如Ti2SnC)、312系(如Ti3SiC2)和413系(如Ti4AlN3)。MAX属于六方晶系,是由交替排列的Mn+1Xn片层与紧密堆积的A原子层连接而成,其中,M-X原子层间主要是共价键和离子键,M-A原子层间主要以金属键相连,与M X键相比,M A键结合力较弱,因而A层原子反应活性比较高,易于剥离开来[20]。即通过适当的方法(化学液相蚀刻法)将A层从结构中去除,从而获得一种新型的二维堆叠层状结构。迄今为止,已成功制备出了Ti2C、Ti3C2、Ti3CN、V2C、Nb2C、TiNbC、Nb4C3、Ta4C3、(Ti0.5Nb0.5)2C和(V0.5Cr0.5)3C2等MXene相[10,21-23]。MAX这种新型陶瓷材料综合了陶瓷和金属的优点[24],并由于具有独特的层状结构,自润滑、高韧性、可导电,可用作涂料的保护层、催化剂、高温结构材料、润滑材料等。而由MAX相制得的MXene在具有二维片层状结构的同时兼具表面亲图1MAX相元素在元素周期表上的位置,插图为MAX相的原子簇示意图[11]Fig.1Fragmentoftheperiodictable,showingelementsformingMAXphas
【作者单位】： 河海大学力学与材料学院;
【基金】：江苏省自然科学基金(BK20161506) 中央高校科研业务费(2013B34414,2015B01914,2016B45614) 高性能陶瓷与超微结构国家重点实验室开放基金(SKL201401SIC)~~
【分类号】：TB30
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，本文编号：2534160
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