Yury Gogotsi观点：MXenes未来应用前景如何？

【研究背景】

二维材料被视为“神奇材料”，可用于解决许多科学难题，从储能领域到环境修复。然而，尽管科学界对其寄予了诸多期望，但很少有二维材料实现从实验室到工业应用的转化。大多数二维材料面临的难题是生产量非常小、价格昂贵或生产方法存在可扩展性问题。

MXenes是由过渡金属碳化物、氮化物和碳氮化物组成的二维材料，具有非常诸多有用价值，在通信、能源技术和其它一些领域，具有潜在的应用前景。采用可扩展的选择性蚀刻方法，使其有可能从实验室应用过渡到更广泛的工业化生产。然而，要实现这一目标，还需要在合成-结构-性能关系、多样化MXenes结构和组成以及工艺优化方面进行大量工作。至关重要的是，在开展应用研究之前，科学界必须考虑应用研究的可行性。

【文章简介】

美国德雷塞尔大学Yury Gogotsi团队近日以“Taking MXenes from the Lab to Commercial Products”为题，在Chemical Engineering Journal发表论文，探讨了以MXenes为代表的二维材料，要实现实验室到产业化过程所面临的困难，以及今后的研究重点和策略，为致力于二维材料产业化的科研人员提供了科学指导。

【文章解读】

很少有二维材料成功从实验室转移到商业用途，典型的例子是石墨烯。不过，现在工业上销售的石墨烯并不是基于透明胶带剥离法生产出来的，而是主要通过机械或化学方法，对石墨进行剥离来生产。值得注意的是，这种材料是由天然石墨前体制成的，并采用自上而下的方法生产。在聚合物基复合材料中，大量使用的二维粘土片是一种商业化技术。然而，在其它2D材料中，很少有大规模的商业应用案例。多层BN可以通过机械剥离产生，且少量的h-BN和MoS₂最近被用于电子工业。最近从实验室走出的一类材料是MXenes（图1）。                           

图1 MXene多种多样的应用。

MXenes可能是已知的最大类的二维材料。于2011年被发现，MXenes是亲水性过渡金属碳化物、氮化物和碳氮化物。它们具有M_n+1X_nT_x的一般结构，其中M是早期过渡金属（Ti、V、Nb、Mo、Cr、Ta、Hf），X是C和/或N，T_x代表表面终端集团（通常=O、-OH、-F或-Cl），N=1-4。通常，MXenes是通过选择性蚀刻M_n+1AX_n相前体生成的，其中A通常是Al，或者通过蚀刻相关的层状化合物（例如Mo₂Ga₂C）。已经有超过30个化学计量的MXenes被实验合成（图2）。

图2 报道的MXene成分和结构。

MXenes由于其特殊的性质，如高导电性、高体积电化学电容、可调等离子体性质和功函数、薄膜的光学透明性和电致变色性、热稳定性和机械强度等，已被广泛研究，再加上其可在各种极性溶剂中形成稳定的胶体溶液的能力，包括水和醇和易加工性，这些理想的特性使得MXenes被广泛用于储能、电子、结构元件，或环境修复。

MXenes的第一个研究用途是储能，此后扩展到包括超级电容器（图3f）和各种电池，另一个非常有前途的领域是通信（图3c）和电磁干扰（EMI）屏蔽。在这两个领域中，MXenes的性能优于石墨烯和碳基复合材料，甚至与金属一样有效。如果从水溶液中加工出的微米级碳化钛MXenes薄膜可以代替15-30 µm的铜箔或铝箔作为集流体、互连、天线或电磁干扰屏蔽，则在尺寸和重量方面，具有明显的技术优势。由于其高强度和高导电性，MXenes已被纳入金属、陶瓷、和聚合物基复合材料中，以制造结构组件、智能纺织品（图3d、e）和多功能材料。此外，MXenes正越来越多地被用于环境修复工作，包括重金属去除、脱盐和污染吸附。

此外，MXenes还有许多其它应用，包括催化、电子、生物医学应用，如癌症治疗、透析液再生、可植入电极、人工晶状体等。在医疗技术中，当MXenes薄膜取代金或铂金属电极时，不仅是性能，而且还有显著的价格优势。

图3 MXenes的应用和可扩展性。

虽然MXenes在许多领域都潜力极大，但要实现其广泛应用，还有许多工作要做。最近的研究表明，MXenes的合成是可扩展的，并且当从1 g增加到50 g时，不会出现性能损失（图3a，4）。此外，Murata制造有限公司正在根据1 L反应器的设计，开发公斤规模的中试原型生产线（图4）。然而，还需要研究将化学工程方法应用到其制造中，以进一步扩大生产规模。

在这一点上，虽然在生产MAX前驱体方面取得了进展，但还需要探索能源和成本效益更高的合成路线。对于钛基MXenes（Ti，Al，C），其成分已经相对便宜，但对于其他MXenes（Ta、Hf、V），降低前驱体成本至关重要，否则它们的工业用途将受到限制。必须强调的是，MXene不是化学品，而是材料，因此它们的生产方法（包括其前驱体）与由此产生的物理和化学性质（如导电性和环境稳定性）之间存在直接关系（图3b）。因此，除了进一步研究MAX至MXenes的拓扑化学转变外，还必须了解前驱体MAX相的合成和加工方法与MXenes性质的关系。通过选择腐蚀性较小的腐蚀剂、加速合成过程和确定MXenes的腐蚀剂，可以进一步优化当前的技术工艺。在此基础上，MXenes可以包含多种形式，包括粉末、胶体溶液、纤维、薄膜等（图3），这意味着它们的特殊结构将极大地影响它们的性能。

图4 MXenes的大规模合成。

【结论】

作为科学家，有责任考虑所研究内容的可行性和未来影响。二维材料具有巨大的潜力，几乎可以彻底改变生活的方方面面。但它们并非没有局限性，在进行以应用为中心的研究之前，我们必须考虑生产过程、丰富度和安全方面等。克服这些挑战，并针对性地使用二维材料，是其广泛应用的关键。MXenes是一类具有实际工业应用潜力的材料，但在MXenes得到广泛应用前，仍有大量的研究工作要做。另外，绝大多数关于MXenes的研究文章都集中在它们的应用上，但是它们的基本属性也需要大力关注，理解本质上是什么赋予了它们这些属性和功能。 

Christopher E. Shuck and Yury Gogotsi. Taking MXenes from the Lab to Commercial Products, Chemical Engineering Journal, 2020. DOI:10.1016/j.cej.2020.125786