二維MXene材料的案例
二維MXene相Ti3C2高效氧還原電催化劑
二維MXene材料，由于具有良好的導電性和豐富的表面化學性質，在電催化領域具有廣泛的應用前景，但在電催化氧還原領域鮮有報道。
中國科學院上海硅酸鹽研究所施劍林研究員課題組通過HF酸刻蝕和TPAOH插層兩步法，用MAX陶瓷制備了具有二維層狀結構的MXene相Ti3C2材料，并將其用作氧還原電催化劑。制備的二維Ti3C2材料厚度為
0.5–2.0?nm，
表明該材料的層數為1~2層。
CV、LSV、RRDE等測試表明, 該二維Ti3C2材料具有良好的ORR性能和穩定性，有望用于構建高性能、低成本的電催化劑。
圖1 二維層狀結構的MXene相Ti3C2材料的制備及其形貌
圖2 二維Ti3C2材料的ORR穩定性及其機理
Science China Materials
, 2018, doi:10.1007/s40843-018-9378-3
展開 二維MXenes及其納米復合材料的表面與異質表面工程-電催化與光催化研究
MXene復合體系HER研究
在電催化方面，研究表明不同官能團對于MXene電催化性能有著十分顯著的影響，其課題組通過實驗和理論兩方面進行驗證發現表面覆蓋氟官能團的MXene材料對于產氫催化有著積極地影響。在實驗上，Mo2C是一種最為常見的電催化MXene材料，諸如Mo2C/2D-NPCs、氮摻雜的Mo2C[8]納米片都表現出了很好的電催化性能。
2.3 MXene在CO2RR催化方面的研究
圖8. MXene在
CO2
RR方面的理論研究
李能教授課題組從新型二維材料MXene 的表界面結構的結構計算設計出發、深入研究CO2捕獲與光催化還原的電子輸運物理機制，提出實現新型的高效光催化還原CO2材料體系的策略；研究了在酸性條件下，MXene-Tx(T=OH)中的羥基還原成H2O 的電化學機理，從理論上證明了形成干凈的MXene 表面的可行性。同時，武漢理工大學余家國課題組合成了2D/2D超薄Ti3C2/Bi2WO6異質結納米復合材料，發現其在CO2RR方面催化性能有有明顯的提升。
2.4. MXene在N2RR及其他環境催化方面的研究
李能教授及其合作者，運用第一性原理計算，證實了MXene 能作為良好的催化還原N2為人工合成氨的載體；同時在有機污染物降解方面，解修強等人合成了Ti3C2/CdS 2D/2D復合材料，Ti3C2Tx助催化劑不僅用為電子介體增強對CdS中電子的提取，也抑制了空穴的光腐蝕作用，使得電子的壽命得到了提升。
展開 西北工大鄭亞萍教授、姚東東副教授《JMCA》：通過靜電作用策略構筑MXene基納米離子液體材料
MXene是一種新型的二維（2D）過渡金屬碳化物或碳氮化物材料，2011年被美國德雷塞爾大學的Gogotsi教授通過選擇性刻蝕 MAX 相中的金屬A元素而制備，其化學通式是Mn+1XnTx（n=1, 2, 3），其中M為早期過渡金屬元素，X為碳或氮元素, T表示表面的-OH、-O-等活性官能團；MXene具有獨特的二維層狀結構、較大的比表面積、優異的力學性能、電學性能、易表面功能化等優勢，在儲能材料、電磁屏蔽、復合材料、阻燃材料、氣體分離與捕集等多個領域均展現出良好的應用潛力。還存在以下問題亟待解決：一是MXene納米片表面能高，易發生團聚堆疊，從而失去了原有納米片優異的物化性能；二是表面容易被氧化，尤其在水與氧氣共存的條件下，一周之內便被氧化，從納米片邊緣逐漸向中間生成銳鈦礦，因而失去了MXene納米片的固有優勢，極大限制了MXene納米片性能的發揮及其進一步較大規模應用。
為了解決上述難題，西北工業大學化學與化工學院鄭亞萍教授團隊開展了一系列研究工作：通過頸狀層-冠狀層共價接枝策略構筑MXene無溶劑納米流體（Chem. Eng. J.,2021, 419, 128082），采用原位耦合方法合成多孔碳流體（Small, 2021, 17, 2006687），通過離子鍵接枝策略制備MOF多孔液體用于氣體捕集（Chem. Eng. J., 2021, 416, 127625）；采用共價修飾方法構筑UiO-66多孔液體用于CO2捕集（ACS Appl. Mater. Interfaces, 2021, 13, 2600），通過雙陽離子策略構筑低粘度ZIF-8多孔液體用于氣體吸附與VOCs吸附（Chem. Eng. J.,2021, 417, 129239）。
展開 《ACS Nano》邁向建筑納米復合材料：MXenes和更高
因此，尋求工程材料以在低頻下最大化一種或多種損耗機制，同時保持光學和紅外頻率下的透明性。設計此類材料的潛在挑戰主要是由于：（a）對填料，基體和相間的形態和內在特性如何影響電荷傳輸特性并補償吸收損耗缺乏了解；（b）透明度和EMI-SE的根本相反要求，并且缺乏有關優化特性的設計和配置的知識；（c）缺乏健全的理論和計算框架，無法為多種長度尺度的材料選擇和性能優化提供指導。
【圖文解析】
基于MXenes的多功能結構納米復合材料
二維平面結構（例如石墨烯和MXenes）具有大的長寬比，出色的導電性和良好的機械性能，這些都為高性能EMI屏蔽材料展示了廣闊的前景。與石墨烯片的均質成分不同，MXene（Mn+1XnTx，其中M =早期過渡金屬，X=碳和/或氮，Tx=功能性表面終端）是一類較大的2D碳化物，氮化物和碳氮化物，具有到目前為止，理論上可以預測70種不同的成分，而實驗上可以合成30多種不同的成分。
擁有如此廣闊的設計空間，可以根據元素組成，表面化學（邊緣與基礎），相間，形態和3D架構對性能進行微調。MXene的一些屬性包括出色的金屬導電性，親水性，出色的機械性能和有效的表面官能團。結果，對于同時需要高電導率和易于加工的應用，多次選擇了MXene。最近，Yun等結果表明，在EMI-SE方面，高度剝落的MXenes優于石墨烯及其衍生物。溶劑型剝離系統的主要區別之一是與石墨烯相比，Ti3C2Tx的電導率更高。加工過程中不可避免的表面缺陷會大大降低石墨烯的電導率；盡管這種現象似乎在多層多層Ti3C2Tx中不那么明顯，但具體機理尚不清楚。（Adv. Mater. 2020, 32, 1906769）。
用于潛在電磁干擾類型應用的MXene的研究蓬勃發展。
展開 
用于高性能電磁屏蔽和熱管理的石墨烯/MXene復合材料
嚴重的電磁干擾(EMI)不僅會干擾電子設備的正常工作，而且會對人體健康和其他生物系統產生不利影響因此，人們致力于通過制造各種具有獨特結構特性的電磁干擾屏蔽材料來緩解電磁輻射問題。
在報道的電磁干擾屏蔽材料中，金屬基箔/薄膜(如銅箔，鋁箔和MXene薄膜)具有優異的導電性，但通常存在一些缺點(如耐腐蝕性差和質量密度高)，這在一定程度上阻礙了它們的實際應用。另一方面，具有輕量化和多孔結構的雜化二維導電材料(如還原氧化石墨烯(rGO)/ MXene,Ti3C2Tx/rGO和Ti3C2Tx/碳納米片)已被認為是EMI屏蔽應用的有希望的候選者。
然而，由于含有豐富的含氧官能團，通常會導致復合膜的導電性較差，屏蔽電磁干擾的效果(SE)較低。此外，將低維導電填料(例如，1D碳納米管， 2D氧化石墨烯， 2D石墨烯納米片，和2D MXene)摻入電絕緣聚合物中構建的導電聚合物復合材料(CPCs)被認為是替代EMI屏蔽候選材料，但這些CPCs的EMI SE值仍然令人不滿意。因此，開發具有獨特結構特性和提高電磁干擾屏蔽效果的新型電磁干擾屏蔽材料是迫切需要的。
與一維和二維導電填料相比，具有相互連接的多孔網絡的三維石墨烯泡沫/薄膜由于其輕量化和優異的導電性和導熱性等優點，已被用于EMI屏蔽和熱管理應用。盡管取得了相關進展，但大多數的柔性EMI屏蔽泡沫/薄膜仍然遇到一些缺點，例如導電性差，熱穩定性不理想，SE不足(通常<60 dB)，以及較小厚度下的特定SE (SE/密度/厚度，SSE/t)，這限制了它們的進一步應用。在這種情況下，設計和開發具有卓越EMI屏蔽和焦耳加熱性能的柔性材料，仍然是一個巨大的挑戰。
展開 《ACS Nano》邁向建筑納米復合材料：MXenes和更高
因此，尋求工程材料以在低頻下最大化一種或多種損耗機制，同時保持光學和紅外頻率下的透明性。設計此類材料的潛在挑戰主要是由于：（a）對填料，基體和相間的形態和內在特性如何影響電荷傳輸特性并補償吸收損耗缺乏了解；（b）透明度和EMI-SE的根本相反要求，并且缺乏有關優化特性的設計和配置的知識；（c）缺乏健全的理論和計算框架，無法為多種長度尺度的材料選擇和性能優化提供指導。
【圖文解析】
基于MXenes的多功能結構納米復合材料
二維平面結構（例如石墨烯和MXenes）具有大的長寬比，出色的導電性和良好的機械性能，這些都為高性能EMI屏蔽材料展示了廣闊的前景。與石墨烯片的均質成分不同，MXene（Mn+1XnTx，其中M =早期過渡金屬，X=碳和/或氮，Tx=功能性表面終端）是一類較大的2D碳化物，氮化物和碳氮化物，具有到目前為止，理論上可以預測70種不同的成分，而實驗上可以合成30多種不同的成分。
擁有如此廣闊的設計空間，可以根據元素組成，表面化學（邊緣與基礎），相間，形態和3D架構對性能進行微調。MXene的一些屬性包括出色的金屬導電性，親水性，出色的機械性能和有效的表面官能團。結果，對于同時需要高電導率和易于加工的應用，多次選擇了MXene。最近，Yun等結果表明，在EMI-SE方面，高度剝落的MXenes優于石墨烯及其衍生物。溶劑型剝離系統的主要區別之一是與石墨烯相比，Ti3C2Tx的電導率更高。加工過程中不可避免的表面缺陷會大大降低石墨烯的電導率；盡管這種現象似乎在多層多層Ti3C2Tx中不那么明顯，但具體機理尚不清楚。（Adv. Mater. 2020, 32, 1906769）。
用于潛在電磁干擾類型應用的MXene的研究蓬勃發展。
展開 清華綜述：CVD生長二維材料，可控制備、高質量材料及生長機理
材料的可控制備是二維材料應用的前提，化學氣相沉積（CVD）是制備二維材料的重要方法。然而，當前制備化合物二維材料主要以固相前驅體為原料，其升華和擴散過程復雜且難以控制、生長體系中材料制備反應和副反應共存，這給材料制備的可控性、重復性和高質量材料的獲取帶來了巨大挑戰。
近日，清華-伯克利深圳學院（TBSI）低維材料與器件實驗室成會明、劉碧錄團隊受邀在綜述期刊《材料研究述評》（Accounts of Materials Research）上發表了題為 《化學氣相沉積法生長化合物二維材料: 可控制備、高質量材料及生長機理》（Chemical Vapor Deposition Growth of Two-dimensional Compound Materials: Controllability, Material Quality, and Growth Mechanism）的綜述文章。
論文鏈接：
https://pubs.acs.org/doi/abs/10.1021/accountsmr.0c00063
該綜述以二維過渡金屬硫族化合物（TMDCs）為例，回顧了CVD生長二維材料的進展，總結了近年來研究人員建立的具有前景的生長策略，并重點討論了CVD生長二維材料中涉及的關鍵科學和技術難題，包括非金屬前驅體、金屬前驅體、襯底工程、溫度、氣流等的控制策略和方法。該文還對CVD生長二維材料的機理研究進行了總結。
最后，文章指出了CVD生長二維材料領域未來的研究方向，其中包括：新型二維材料的制備（如穩定p型半導體材料、高遷移率二維材料、寬帶隙二維材料、窄帶隙二維材料），CVD生長結合后處理以獲得新型二維材料和異質結構，新奇物性與應用探索。
展開 Sci.綜述: 富勒烯-二維納米材料復合材料及其在催化、器件中的應用
4．富勒烯/過渡金屬二硫化物復合材料
圖15 C60-MoS2復合材料制備及其電子性能
圖16 C60-MoS2復合材料的光催化機理
作為另一類新型無機2D半導體納米材料，過渡金屬二硫化物(TMDs)由于其有趣的電子、光學和機械性質而引起了廣泛的關注，二硫化鉬(MoS2)是其中最具代表性的材料。單層MoS2具有約1.8eV的直接帶隙以及較高的面內載流子遷移率，在光/電催化、光伏和光電器件領域具有廣泛應用。盡管研究人員對MoS2在光催化制氫領域中的作用進行了廣泛的研究，但即使是單層MoS2，其光催化活性也相對較低，因為只有其邊緣具有高催化活性，而其基面是無活性的。與石墨烯和g-C3N4類似，構筑MoS2與包括富勒烯在內的其他功能材料的復合材料可有效提高MoS2的光催化制氫活性。
5．富勒烯/其他二維材料的復合材料
2D h-BN是一種sp2雜化的寬帶隙半導體(5-6eV)，其具有類似于石墨烯的結構。作為間接帶隙半導體，h-BN具有獨特的電子特性、較低的介電常數、較高的導熱率和化學惰性。雖然h-BN是絕緣體，但其電子特性可以通過摻雜、取代、官能化和復合來容易地調控。鑒于C60具有較窄的帶隙，將h-BN與C60復合是調節h-BN的電子性質的有效策略。
展開 Abaqus二維復合材料拉伸失效
[圖片]
二維材料的研究現狀及未來展望
二維材料是厚度為幾納米或更小的由單層原子組成的結晶材料。這些材料中的電子可以在二維平面中自由移動，但它們在第三方向上的運動受量子力學的限制。自從第一個二維材料——石墨烯，于2004年問世以來，迄今為止已有約700種二維材料被實驗或理論認證可以穩定存在。其中部分材料已用于光伏，半導體，電極和生物監測等應用中。自十多年前發現石墨烯以來，二維層狀材料（2DLM）一直是材料研究的核心焦點。其特殊結構影響并革新了電子器件的設計，出現了前所未有特征或獨特的功能；除了石墨烯，二硫化鉬是其之后的第二種最受歡迎的二維材料。在某些情況下，二硫化鉬可以以新的方式改變石墨烯的光學和電子性質；通過控制合成二維納米結構的單晶鈣鈦礦，科學家獲得了高太陽能轉化效率的光伏材料。預計到2025年，二維材料的全球市場將達到3.9億美元。二維材料的獨特性能，特殊結構和龐大的潛在市場吸引了許多科學家的研究興趣。本文將介紹幾種二維材料的突破性研究成果。
1.“萬能的”石墨烯
（1）Janus材料的開發
Janus是羅馬神話中的“雙面門神”。它擁有兩個相反朝向的兩張臉。Janus材料也是一種有類似特征的神奇材料。如我們生活中能見到的蓮花葉，一側疏水一側疏油。Janus材料擁有雙面功能不對稱的特征，這使得它可以被用在一些特殊的領域，例如探測器，水油分離膜，藥物包裹膜，仿生膜等等。在2004年石墨烯發明以來，科學家發現擁有極好機械柔性和剛性的石墨烯片可以用來制備Janus材料?？茖W家通過選擇性表面對石墨烯進行改造，制造了很多納米和微米級的二維Janus材料。例如，單層石墨烯是零帶隙半導體。為了深入了解石墨烯的帶隙，科學家通過對石墨烯加氫和加鹵素進行了大量的計算。而通過非對稱工程對石墨烯加氫或鹵素，可以有效的加寬材料的能帶和改變其晶格常數以實現不同的特性。
展開 二維材料的應變工程：界面的問題和機遇
【引言】
2D材料是一種原子級的薄材料，可以很好地用于下一代超薄半導體器件。研究表明，機械應變會強烈擾動2D材料的能帶結構，從而可以通過機械變形來有效調節其電子和光子性。實際上，這種稱為應變工程的原理現在通常用于制造傳統的半導體器件。與傳統電子材料相比，單層原子片本省能夠承受更大的機械應變，而且2D材料的薄度也可以通過彎曲或折疊來誘發更大的局部應變，因而2D材料的應變工程尤其令人興奮。2D材料的這些特殊性使得研究新的基礎物理學和在大應變水平下出現的2D材料的應用創造了機會。
【成果簡介】
近日，國家納米科學中心張勇研究員（通訊作者）和劉璐琪研究員（通訊作者）在Advanced Materials上發表了題為“Strain Engineering of 2D Materials: Issues and Opportunities at the Interface”的綜述文章。在該綜述中，首先對2D材料-基板系統的變形模式進行分類，并總結了最近實現基底支撐2D材料的機械應變的實驗成果。然后，回顧了2D材料-基底界面對面內剪切變形和面外分層的機械響應的最新實驗表征?？紤]到該領域研究的跨學科性質，作者最后還對新興2D材料的合成、2D材料中應變的特征化以及機械應變2 D材料的應用等進行了綜合評述。
【圖文導讀】
圖1 面內模式
(a) 由晶格不匹配引起的應變；
(b) 由熱膨脹不匹配引起的應變；
(c) 上圖：通過使支撐基板變形來對2D材料獲得應變的示意圖；下圖：剝離石墨烯的變形順序和2D帶位置的響應。
展開 
二維材料彈道雪崩現象最新成果
為了解決上述困難，南京大學電子學院王肖沐/施毅課題組與物理學院繆峰課題組緊密合作，基礎探索結合應用研究，首次在二維材料垂直異質結中提出和實現了一種新型的PN結擊穿機制：彈道雪崩。這種物理機制將量子彈道輸運與雪崩擊穿過程相結合，利用彈道輸運中電荷幾乎無散射、保持相位相干的量子特性，結合納米尺度下可控的雪崩效應，在實現載流子倍增放大的同時保持低功耗、低噪聲，有望解決傳統雪崩器件所遇到的瓶頸?；趯嶒炆蠈崿F的彈道雪崩現象，合作團隊進一步制作出了性能優異的中紅外彈道雪崩光電探測器和彈道雪崩場效應晶體管。
在這項工作中，合作團隊首先制作了高質量的硒化銦/黑磷（InSe/BP）垂直PN異質結，異質結具有原子級平整的界面和完美的晶格，團隊在該器件中觀測到5個量級電流跳變的彈道雪崩現象（圖a）?；谠搹椀姥┍垃F象的中紅外探測器展現了極高（大于1萬）的光子放大倍數，以及低于傳統雪崩光電探測器理論極限的噪聲性能（圖b）。這一器件有望在未來星地通訊、高分辨率遙感等系統中扮演重要的角色?；谠搹椀姥┍罊C制的場效應晶體管也展現了極陡的亞閾值擺幅（低達0.25mV/dec），突破了玻爾茲曼熱發射載流子注入的極限，展現了在低功耗集成電路應用中的潛力（圖c）。為了從實驗上證明該雪崩擊穿的彈道輸運屬性，課題組進一步研究了黑磷垂直方向的低溫電子輸運性質，觀測到了Fabry-Perot量子干涉圖案（圖d），直接驗證了載流子在黑磷垂直方向亞平均自由程的溝道中的彈道輸運。該結果不僅促進了中紅外低至單光子的高靈敏探測技術的發展，而且為后摩爾時代納米電子學的發展提供了新的可能性。
彈道雪崩現象與器件應用。(a) 彈道雪崩輸出曲線，插圖：InSe/BP垂直異質結器件。(b) 彈道雪崩光電探測器的響應圖。(c)彈道雪崩場效應晶體管的場效應曲線，插圖：器件亞閾值擺幅與溫度的關系。
展開 應對未來芯片危機：歐洲致力于石墨烯等二維材料研發
歐盟一直在為未來投資研發有前途的材料。從錯誤中吸取教訓是明智的。石墨烯可能將成為應對未來芯片危機的B計劃。”
在此之前，也許在未來5年內，石墨烯將推動其他技術的發展，例如生物醫學傳感器和夜視攝像頭等。此外，它很可能將成為下一代芯片的一部分——在這種情況下，石墨烯將增強硅的性能，而不是完全取代它。
“只用二維材料制造集成電路是可能的，事實上已經有一些原型產品，但目前，它們與用現有硅技術生產的芯片在集成度、成本、可靠性和效率方面還相差甚遠，”西班牙格拉納達大學納米電子學、石墨烯和二維材料實驗室的負責人弗朗西斯科·加米斯指出。
來源：內容來自參考消息網
展開 二維錫烯拓撲材料研究取得重要進展！
類石墨烯結構的IV族元素二維晶體材料及其物性研究，是當前凝聚態物理學和材料科學領域的重要焦點。其中，基于元素錫(Sn)的二維類石墨烯晶體錫烯(Stanene)因其具有很強的電子自旋-軌道耦合，被認為是繼石墨烯后又一種具有優越物理性質的新型量子材料。2013年前后理論物理學家們預言，錫烯中由于pxy軌道具有遠強于pz軌道的自旋軌道耦合效應，因此s-p軌道的能帶反轉可以在布里淵區中心打開數百毫電子伏的巨大能隙；更巧妙的是，由于pxy軌道是平面內的，所以其拓撲性更為魯棒，不易受到襯底和吸附物的影響和破壞。因此，錫烯是一種理想的大能隙二維拓撲絕緣體，有望實現室溫量子自旋霍爾效應，在拓撲電子學器件應用方面具有重要的意義。理論同時還預言了錫烯有可能被調控實現拓撲超導態、優越的熱電效應、近室溫的量子反?；魻栃刃缕嫣匦?。過去幾年中，國內外多個研究組在不同的襯底表面制備了單層錫烯，但由于受襯底影響，這些已制備出的錫烯都具有非平面的翹曲結構且均未表現出拓撲物性。如何制備出具有拓撲特性的錫烯，成為二維類石墨烯材料物性研究亟待突破的重要難題。
經過近三年反復摸索，中國科學技術大學合肥微尺度物質科學國家研究中心的王兵教授和趙愛迪副教授帶領的實驗研究團隊與清華大學徐勇助理教授、段文暉教授以及美國斯坦福大學張首晟教授合作，利用低溫分子束外延技術成功制備出了具有拉伸晶格結構的單層錫烯。該研究工作首次發現單層錫烯可以表現出與石墨烯完全一致的平面蜂窩狀結構，其單胞中AB位原子無高度差，形成理想的純平六角蜂窩晶格，為碳基石墨烯家族添加了錫基成員。實驗中觀測到純平錫烯的化學惰性以及缺陷結構，也證實了其與碳基石墨烯具有諸多相似性，有望為平面蜂窩結構的材料提供新的研究平臺。更為重要的是，由于襯底的外延作用，這一純平錫烯的晶格常數高達0.51納米，故存在因晶格拉伸導致的s-p軌道拓撲能帶反轉，即具有拓撲特性。
展開 MOF衍生出的二維材料在電催化中的應用
【引言】
由于具有更多的活性位點和更短的反應物/產物擴散路徑，二維材料近年來在點催化領域得到越來越多的應用。但目前二維材料的制備主要局限于水熱合成及液相剝離。此類方法往往具有明顯的缺陷：例如水熱不易控制材料的厚度，而液相剝離不僅產率較低而且操作過程經常會使用到對人體有害的化學試劑。納米尺度的晶界缺陷工程能夠顯著提高納米電催化劑在OER、CO2還原等反應中的催化活性。因此，理論上，在二維材料內引入納米尺度的晶界缺陷可以進一步提高二維材料的電催化性能。然而，目前主要使用鋰離子電化學調控的方法來破壞晶粒得到納米多晶材料。因此，在制備方法上尚有一些困難需要克服。
【成果簡介】
美國愛荷華州立大學的科研工作者在ACS Energy Letters上，發表了題為“Defect-Rich 2D Material Networks for Advanced Oxygen Evolution Catalysts”的研究論文，并被選為期刊封面。該工作主要以室溫合成Co-MOF陣列為前驅體，通過室溫條件下乙醇溶液體系對MOF進行破壞/重組，得到納米尺度的多晶二維材料的三維網絡結構。堿性條件下該材料表現出優異的OER活性和穩定性。該工作同時也對Co-MOF的生長及二維材料的形成機理進行了探討。
【圖文導讀】
Scheme 1. 室溫條件下Co-MOF的合成路徑及多晶二維材料的生成示意圖。
Figure 1. Co-MOF 及生成的Co(OH)
2二維材料的結構/成分表征。
Figure 2.
展開 