天津大学胡文平教授/耿德超教授Adv. Funct. Mater.：过渡金属碳化物和氮化物（MXenes）晶体生长的研究进展

导语

作为一种新颖的2D材料家族，MXenes因其优越的物理化学特性而受到广泛的关注。以可控的方式制备高质量的MXenes将进一步促进制造技术的发展，并拓展其先进应用。因此，多年来研究者致力于探索制备大规模的理想二维MXenes晶体。而化学气相沉积（CVD）在可控性、均匀性和可扩展性方面比其他制备方法具有引人注目的优势。近日，天津大学胡文平教授团队总结了近年来利用CVD方法生长MXenes晶体的研究进展，相关成果发表在Advanced Functional Materials（DOI: 10.1002/adfm.202111357）。

胡文平教授课题组简介

课题组深入研究分子材料的光电性质等，取得了多项有重要意义的研究成果。分子材料的凝聚态结构决定着其性能，最终影响着材料在光电器件中的应用。如何正确评价材料、揭示其本征性能，是优化材料结构、指导进一步合成的关键，也是获取高性能分子材料的重要途径。课题组在该领域开展了开创性的研究，取得了一批突出的创新性研究成果，是该领域国际上有影响的团队之一。

胡文平教授简介

胡文平教授，天津大学常务副校长，博士生导师，天津大学-新加坡国立大学福州联合学院联合管理委员会主任。中国科学院"百人计划"入选者，"国家杰出青年科学基金"获得者。1993年毕业于湖南大学化学化工系，1996年在中国科学院金属研究所获得硕士学位。1999年在中国科学院化学研究所获得博士学位。同年，在日本学术振兴会（JSPS）的资助下，赴日本大阪大学太阳能化学研究中心工作；2001年，在德国洪堡基金的资助下赴德国斯图加特大学第一物理研究所工作。2003年4月加入日本电话电讯株式会社（NTT），同年9月底入选中国科学院"百人计划"，2013年加入天津大学理学院化学系。主要从事有机高分子光电功能材料的研究，在新型有机高分子光电功能材料的设计合成、凝聚态结构与性能的关系，光电器件的应用等方面开展了系统研究。发表SCI论文500余篇（IF>10.0的190篇）：Nature（1篇）、Nature Chem.（1篇）、Nature Commun.（8篇）、Adv. Mater.（90篇）、J. Am. Chem. Soc.和Angew. Chem. Int.（58篇），被SCI引用>31,000次（H因子=88）。

前沿科研成果

过渡金属碳化物和氮化物（MXenes）晶体生长的研究进展

本文主要综述了：1）CVD制备的几种典型的MXenes晶体在尺寸、形态和厚度方面都得到了精确的控制，进一步构建了一系列MXenes异质结，包括垂直和横向空间取向；2）对MXenes晶体的生长机理进行了详细的探讨，为MXenes晶体的生长提供了指导。3）介绍了MXenes晶体的性能和应用，重点介绍了其超导性和电催化特性；最后，对制备MXenes的未来发展提出了看法，总结了当前存在的技术挑战和发展趋势。

图1. CVD法制备MXenes及其异质结的性能

（来源：Adv. Funct. Mater.）

目前，CVD法制备MXenes的机理主要是采用化学气相沉积法在光滑、均匀的液态金属表面上，通过甲烷或氨气中的碳或氮源与过渡金属原子在高温下反应生成高质量的MXenes晶体。在生长过程中，通过调节生长条件来影响成核生长过程，可以精确控制MXenes晶体的形态、厚度、尺寸和异质结空间取向等。

图2. 两种典型的MXenes晶体的CVD生长示意图

（来源：Adv. Funct. Mater.）

同时，作者比较了自上而下和自下而向上（CVD）的MXenes制备方法。CVD的自下而上制备方法可以直接提供M-X键合产物，在目标基板上生长大面积厘米甚至米级的二维MXenes单晶，而不是选择在MAX相刻蚀A层。因此，CVD方法对于生产大规模高质量的MXenes材料是非常经济有效的。显然，由于转移等技术问题，自上而下的制备方法对于生产小规模的MXenes具有一定的优势。在比较两种方法的工艺的简洁性、经济性、规模性和方法的灵活性等几个方面，CVD方法具有几项比较明显的优点。

图3. Bottom-top（CVD）和top-down方法的比较

（来源：Adv. Funct. Mater.）

最后，作者指出采用CVD制备的MXenes晶体目前存在转移质量、非层状材料和精准控制等问题，并提供了两种方法可以预测新的MXenes结构。CVD技术可以通过设计合成路线、前驱体和催化剂/载体直接合成MXenes晶体：1）基于新元素和新组分的理论计算，通过调整生长条件，使用合适的催化剂衬底和前驱体，可以制备高质量、大规模的新型二维MXenes；2）将得到的二维MXene材料用于形成二元、三元甚至多元异质结构，可以根据空间取向选择平面或垂直异质结。

该综述以“Recent advances in growth of transition metal carbides and nitrides (MXenes) crystals”为题近期发表于Advanced Functional Materials，研究生范怡萱和李琳讲师是该文章的共同第一作者，通讯作者为胡文平教授、耿德超教授和李琳讲师（论文作者：Yixuan Fan, Lin Li, Ye Zhang, Xiaotao Zhang, Dechao Geng, Wenping Hu）。

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