随后 ， 介绍了MXene混合/复合材料在能量存储（即电容器和电池、传感、环境催化、生物医学和电磁屏蔽）中的应用 。
该评论对每个部分进行了批判性讨论 ， 以确定研究差距 。 最后 ， 本文为多层-MXene混合研究的未来方向提供了紧迫的挑战和可能的解决方案 。
MXene的合成
MXene是一类过渡金属碳化物、氮化物和碳氮化物 ， 通过选择性蚀刻MAX相中的“A”元素合成 。 MAX颗粒从固态致密状态转变为松散包装的手风琴状结构 ， 类似于剥落的石墨 ， 称为松散形成的多层或ML-MXenes薄片 。 图1显示了一个元素周期表 ， 其中突出显示了MXenes形成中通常出现的元素 。 MXene的化学成分一般用M(n+1)XnTX表示 ， 其中“M”为早期过渡金属 ， “A”代表元素周期表第13或14族的材料 ， “X”表示碳或氮 ， 所以基本上 ， 这些材料是氮化物和碳化物 。 摩尔比数“n”通常表示1、2、3或5 。 MXene片材上的表面化学基团表示为“T” 。 当从MAX相蚀刻“A”时 ， “T”保持MXene中的电荷中性 ， 这取决于蚀刻剂的性质 。 由于含有F的蚀刻剂 ， “T”的成分目前为F、O和OH 。 据预测 ， 可以从MAX相或非MAX相制备大约70种MXene 。 以下部分讨论最重要的MXene多层和混合多层形成方法 。
图1. MAX工艺中使用的突出显示元素的元素周期表和使用HF蚀刻剂的MXene合成工艺示意图 。 （经参考许可转载 。 版权所有2018 ， WILEY-VCH Verlag GmbH & Co. KGaA 。 ）
多层MXene
为合成MXene探索的两条主要路线是自上而下和自下而上的方法 。 MXene生产中的自上而下方法是指减小块状材料/粉末的尺寸或去除部分块状结构以留下微米到纳米颗粒的过程 。 一方面 ， 选择性蚀刻和剥离被归类为自上而下的工艺 。 另一方面 ， 物理气相沉积（PVD）和化学气相沉积（CVD）被归类为自下而上的工艺 。 自上而下的方法通常是制备ML-MXene的首选方法 ， 因为第一次成功地从Ti3AlC2中选择性蚀刻铝以生产多层Ti3C2是通过自上而下的方法实现的 。 MXene合成从蚀刻MAX相开始 ， 以用-OH、-O和-F等表面终止基团替换元素“A”（例如铝）原子层 ， 形成M(n+1)XnTX 。 蚀刻过程产生的氢键和范德华键将MXene层固定在一起 。 使用氢氟酸(HF)进行湿法化学蚀刻可合成不同成分的多层MXene薄片 ， 例如Ti2CTX、Ti3CnTX、Nb2CTX和V2CTX 。 除了纳米片外 ， 超声处理后还获得了不同结构的MXene ， 例如涡旋、纳米管和多层Ti3C2 。 图1和图2显示了在室温和分层方法下使用HF和原位HF的Ti3C2TX合成图 。
图2.使用HF（上）和原位HF（下）进行蚀刻 。 在HF路线中 ， 使用三种不同浓度和不同持续时间来合成Ti3C2TX 。 （经参考许可转载 。 版权所有2017 ， 美国化学学会 。 ）
尽管HF是MXene制造过程中的主要蚀刻剂 ， 但由于HF的高挥发性和危险特性 ， 已经探索了替代蚀刻剂 。 熔盐、碱性溶液和水热处理(606263)拓宽了合成路线和所得性质 。 据报道 ， 钾、钠和铵的氟化氢是从Ti3AlC2选择性蚀刻Al的替代蚀刻剂 。 (586465)然而 ， HF辅助合成MXene会导致阳离子与氟化物或氟化氢盐的嵌入 ， 并表现出更大的层间距 。 与仅使用HF的蚀刻相比 ， 层间距通过HF和氟化物盐的组合而增加 。
含有酸混合物的较低HF浓度(5–10 wt%)用于原位HF合成 。 为了从MO2TiAlC2和MO2Ti2AlC3MAX相合成MO2TiC2和MO2Ti2C3 ， 使用基于HF/HCl的蚀刻剂 。 对于LiF/HCl蚀刻路线 ， 两种反应物的摩尔浓度定义了所需的HF、LiCl生产和残余HCl的量/浓度 。 当将嵌入剂(Li+)引入蚀刻剂溶液时 ， 利用LiF/HCl的原位HF蚀刻剂产生可加工的Ti3C2 MXene 。 通过改变交换阳离子的浓度来实现与Li+交换的H+浓度 ， 这决定了LiF/HCl的嵌入机理 。 然而 ， 由于在剥离过程中存在未蚀刻的MXene ， 这些方法的可扩展性具有挑战性 。 碱性蚀刻剂具有蚀刻Ti3AlC2或其他层状前体的能力 ， 该前体利用与Al的合适结合特性 。 在碱性条件下去除铝通常涉及在更高的温度或压力下进行水热处理 。 (465969)传统的HF酸性水溶液在蚀刻氮化物基MAX相时无效 。 因此 ， 氮化物MXene ， 尤其是Ti4N3 ， 涉及通过使用诸如氟化钾(KF)、氟化钠(NaF)和氟化锂(LiF)等熔融盐从Ti4AlN3中选择性蚀刻Al 。 表1列出了由各种前体和蚀刻剂合成的不同类型MXenes 。
表1.不同蚀刻剂和条件下ML-MXene的合成
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