1．MAX和MXene：元素周期表的另一種詮釋

       MAX相的晶體結構由Mn+1Xn結構單元與A元素單原子面交替堆垛排列而成, 兼具金屬和陶瓷的諸多優(yōu)點, MAX相的A層原子被刻蝕之后獲得成分為Mn+1XnTx(Tx為表面基團)的二維納米材料, 即MXene。目前，該類材料的諸多特性有何機制尚缺少全新詮釋。中國科學院寧波材料技術與工程研究所黃慶研究員介紹了近年來國內外MAX相和MXene材料領域在成分與結構、合成方法、性能與應用研究等方面的研究動態(tài), 據(jù)此展望未來幾年該類新穎材料的發(fā)展方向。

2. MXene柔性材料：做成燕尾服還是運動衣？

       隨著可穿戴柔性電子技術的發(fā)展, 高靈敏度和寬感應范圍的柔性力敏傳感器的需求量逐漸增大, MXene材料因其導電性好、柔韌性高、親水性好以及合成可控等優(yōu)點成為一種極具潛力的導電敏感材料。但此類材料真的能做成可傳感的燕尾服或是運動裝嗎？中國科學院上海硅酸鹽研究所孫靜研究員就MXene基柔性力敏傳感器的類型、敏感材料的微結構設計方式、傳感性能及傳感機理等方面的研究進展進行了闡述和總結。

3. 傳統(tǒng)相圖：這個點熱平衡了嗎？

       傳統(tǒng)MAX相中的A位可能被更多的過渡族金屬元素替代, 形成新型的MAX相, 而不同A位元素的MAX相性能差異很大, 但其熱力學穩(wěn)定性如何亟待揭示。中科院寧波材料所常可可研究員探究了新型MAX相在不同溫度下的熱力學穩(wěn)定性。使用相圖計算(CALPHAD)方法建立起研究體系的熱力學數(shù)據(jù)庫, 耦合第一性原理得到的新型MAX相生成焓數(shù)據(jù), 最終得到包含新型MAX相的三元相圖。他們?yōu)榇_定新型MAX相的熱力學穩(wěn)定性提供了系統(tǒng)的研究方法, 可應用于指導合成更多未知的MAX相材料。

4. MAB相超高溫陶瓷：真能確保穿過大氣層的炙烤？

       Cr4AlB4是一種近期發(fā)現(xiàn)的三元層狀硼化物MAB相陶瓷。該材料可形成具有保護性的氧化膜, 在高溫結構材料領域有巨大應用潛力，但其物相穩(wěn)定性和力學行為的機制如何尚待證明。哈爾濱工業(yè)大學柏躍磊教授基于第一性原理的“線性優(yōu)化法”和“鍵剛度”理論模型分別研究了Cr4AlB4的物相穩(wěn)定性和力學行為。他們發(fā)現(xiàn)，聲子譜中沒有虛頻出現(xiàn), 表明Cr4AlB4具有本征穩(wěn)定性。而與其它Cr-Al-B系內的競爭相相比, Cr4AlB4具有最低的能量, 表明其在熱力學上也是穩(wěn)定的。Cr4AlB4具有類似于MAX相的高損傷容限和斷裂韌性。

5. 電磁屏蔽薄膜：和雷達探測玩?zhèn)€躲貓貓？

       高強電磁屏蔽薄膜材料在柔性器件、汽車電子和航空航天等領域具有廣泛應用前景, 但要實現(xiàn)戰(zhàn)機和戰(zhàn)艦能與敵方躲貓貓還需更多突破。受珍珠母微納米結構及其優(yōu)異機械性能的啟發(fā), 北京化工大學張好斌教授利用簡單的溶液共混及真空抽濾方法, 將纖維素納米晶(CNC)和MXene混合, 經(jīng)層層組裝制備了高性能MXene基復合薄膜。薄膜的機械性能有了顯著提高, 同時保留了復合薄膜的高電導率(104 S/m)和優(yōu)異的電磁屏蔽性能, 厚度8 μm時可達40 dB以上。

6. Ge/MXene復合材料：儲能電池一步搞定

       鋰離子電池目前主導著電子器件的供能市場, 并且迅速向電網(wǎng)、汽車等領域滲透, 但開發(fā)大容量、高倍率、長壽命、低成本的電極材料仍在路上。中科院重慶綠色智能技術研究院康帥課題組制備了Ge/MXene復合材料, 在MXene表面均勻負載了鍺金屬納米顆粒，并制備成電極、組裝成紐扣電池，作了充放電性能測試, 對電池的比容量、倍率、循環(huán)穩(wěn)定性能進行了系統(tǒng)分析。他們首次將Ge金屬與MXene二維材料復合, 并用于儲能電池的研究, 對金屬/MXene復合材料制備和在鋰離子電池中的應用有重要參考價值。

7. 插層策略：MXene儲鈉調控新妙招

       鈉離子電池（SIB）因鈉資源豐富、成本低廉，正迅速發(fā)展成鋰離子電池的替代品。但因鈉離子半徑比鋰離子的大（0.102 nm對0.076 nm），導致電極材料在充放電過程中發(fā)生塌陷，致使SIB缺少合適的陽極材料。中國科技大宋禮教授提出一種Mn2+插層策略用于優(yōu)化V2C MXene的儲鈉性能。Mn2+的插層不僅擴大了V2C MXene的層間距，同時形成了V-O-Mn 共價鍵,有利于穩(wěn)定V2C的結構, 抑制Na+脫嵌過程中由于體積變化引起的結構坍塌，潛在應用前景廣闊。

8. 晶格混合：電化學活性大增

       直接甲醇燃料電池因操作方便、轉化效率高、操作溫度低、污染少以及液體燃料易存儲易運輸?shù)葍?yōu)勢具有良好的應用前景, 但現(xiàn)有陽極催化劑存在催化活性低、抗CO中毒性差等缺點, 制約了其商業(yè)化應用前景。河海大學張建峰教授采用三步法制備了一系列不同Pt、Ru配比的PtRu/(Ti3C2Tx)0.5-(MWCNTs)0.5陽極催化劑材料, Ru原子與Pt原子晶格混合, 形成了粒徑約3.6 nm的鉑釕雙金屬合金。他們的催化劑具有最佳的電化學性能, 其電化學活性面積達139.5 m2/g, 正向峰電流密度達36.4 mA/cm2。

9. 二維MXene酶傳感器：食品安全檢測大展神通

       過氧化氫在制藥、醫(yī)療、紡織、造紙和食品加工等許多領域被廣泛用作抗菌劑、氧化劑、還原劑和漂白劑，但其容易形成殘留，且檢測不便。寧波大學張綾芷教授合成了具有垂直柵欄結構的二維MXene材料, 與辣根過氧化物酶連接構筑了過氧化氫電化學酶傳感器。該納米柵欄比表面積大，電子傳導特性優(yōu)良，水中分散特性好；固定在電極上的辣根過氧化物酶分子表現(xiàn)出了優(yōu)良的過氧化氫催化效果, 現(xiàn)已成功應用于食品中過氧化氫殘留的檢測。

10. A位置換反應：原子間的物競天擇

       目前已經(jīng)合成出的MAX相材料已有70余種, 但A位元素一直局限在ⅢA和ⅣA主族元素, 如Al、Si、Ga等, 而以副族元素占據(jù)A位的MAX相鮮有報道。中科院寧波材料所黃慶研究員提出了一種元素置換策略，即在保持MAX相六方層狀晶體結構的基礎上, 利用Al、Zn在高溫下形成共晶產(chǎn)物實現(xiàn)Zn原子向A層內的遷移, 而熔鹽介質的存在促進了反應動力學。本方法巧妙地避免了MAX相傳統(tǒng)合成過程中競爭相的形成，因此可以用于探索更多未知的MAX相材料。