1．MAX和MXene：元素周期表的另一種詮釋
MAX相的晶體結(jié)構(gòu)由Mn+1Xn結(jié)構(gòu)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(diǎn), 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(tuán))的二維納米材料, 即MXene。目前，該類(lèi)材料的諸多特性有何機(jī)制尚缺少全新詮釋。中國(guó)科學(xué)院寧波材料技術(shù)與工程研究所黃慶研究員介紹了近年來(lái)國(guó)內(nèi)外MAX相和MXene材料領(lǐng)域在成分與結(jié)構(gòu)、合成方法、性能與應(yīng)用研究等方面的研究動(dòng)態(tài), 據(jù)此展望未來(lái)幾年該類(lèi)新穎材料的發(fā)展方向。
2. MXene柔性材料：做成燕尾服還是運(yùn)動(dòng)衣？
隨著可穿戴柔性電子技術(shù)的發(fā)展, 高靈敏度和寬感應(yīng)范圍的柔性力敏傳感器的需求量逐漸增大, MXene材料因其導(dǎo)電性好、柔韌性高、親水性好以及合成可控等優(yōu)點(diǎn)成為一種極具潛力的導(dǎo)電敏感材料。但此類(lèi)材料真的能做成可傳感的燕尾服或是運(yùn)動(dòng)裝嗎？中國(guó)科學(xué)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(lèi)型、敏感材料的微結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)方式、傳感性能及傳感機(jī)理等方面的研究進(jìn)展進(jìn)行了闡述和總結(jié)。
3. 傳統(tǒng)相圖：這個(gè)點(diǎn)熱平衡了嗎？
傳統(tǒng)MAX相中的A位可能被更多的過(guò)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(xué)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(xué)穩(wěn)定性。使用相圖計(jì)算(CALPHAD)方法建立起研究體系的熱力學(xué)數(shù)據(jù)庫(kù), 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(xué)穩(wěn)定性提供了系統(tǒng)的研究方法, 可應(yīng)用于指導(dǎo)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(guò)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(hù)性的氧化膜, 在高溫結(jié)構(gòu)材料領(lǐng)域有巨大應(yīng)用潛力，但其物相穩(wěn)定性和力學(xué)行為的機(jī)制如何尚待證明。哈爾濱工業(yè)大學(xué)柏躍磊教授基于第一性原理的“線性?xún)?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(xué)行為。他們發(fā)現(xiàn)，聲子譜中沒(méi)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(nèi)的競(jìng)爭(zhēng)相相比, Cr4AlB4具有最低的能量, 表明其在熱力學(xué)上也是穩(wěn)定的。Cr4AlB4具有類(lèi)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(dá)探測(cè)玩?zhèn)€躲貓貓？
高強(qiáng)電磁屏蔽薄膜材料在柔性器件、汽車(chē)電子和航空航天等領(lǐng)域具有廣泛應(yīng)用前景, 但要實(shí)現(xiàn)戰(zhàn)機(jī)和戰(zhàn)艦?zāi)芘c敵方躲貓貓還需更多突破。受珍珠母微納米結(jié)構(gòu)及其優(yōu)異機(jī)械性能的啟發(fā), 北京化工大學(xué)張好斌教授利用簡(jiǎn)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(fù)合薄膜。薄膜的機(jī)械性能有了顯著提高, 同時(shí)保留了復(fù)合薄膜的高電導(dǎo)率(104 S/m)和優(yōu)異的電磁屏蔽性能, 厚度8 μm時(shí)可達(dá)40 dB以上。
6. Ge/MXene復(fù)合材料：儲(chǔ)能電池一步搞定
鋰離子電池目前主導(dǎo)著電子器件的供能市場(chǎng), 并且迅速向電網(wǎng)、汽車(chē)等領(lǐng)域滲透, 但開(kāi)發(fā)大容量、高倍率、長(zhǎng)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(shù)研究院康帥課題組制備了Ge/MXene復(fù)合材料, 在MXene表面均勻負(fù)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(cè)試, 對(duì)電池的比容量、倍率、循環(huán)穩(wěn)定性能進(jìn)行了系統(tǒng)分析。他們首次將Ge金屬與MXene二維材料復(fù)合, 并用于儲(chǔ)能電池的研究, 對(duì)金屬/MXene復(fù)合材料制備和在鋰離子電池中的應(yīng)用有重要參考價(jià)值。
7. 插層策略：MXene儲(chǔ)鈉調(diào)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(duì)0.076 nm），導(dǎo)致電極材料在充放電過(guò)程中發(fā)生塌陷，致使SIB缺少合適的陽(yáng)極材料。中國(guó)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(chǔ)鈉性能。Mn2+的插層不僅擴(kuò)大了V2C MXene的層間距，同時(shí)形成了V-O-Mn 共價(jià)鍵,有利于穩(wěn)定V2C的結(jié)構(gòu), 抑制Na+脫嵌過(guò)程中由于體積變化引起的結(jié)構(gòu)坍塌，潛在應(yīng)用前景廣闊。
8. 晶格混合：電化學(xué)活性大增
直接甲醇燃料電池因操作方便、轉(zhuǎn)化效率高、操作溫度低、污染少以及液體燃料易存儲(chǔ)易運(yùn)輸?shù)葍?yōu)勢(shì)具有良好的應(yīng)用前景, 但現(xiàn)有陽(yáng)極催化劑存在催化活性低、抗CO中毒性差等缺點(diǎn), 制約了其商業(yè)化應(yīng)用前景。河海大學(xué)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(yáng)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(xué)性能, 其電化學(xué)活性面積達(dá)139.5 m2/g, 正向峰電流密度達(dá)36.4 mA/cm2。
9. 二維MXene酶?jìng)鞲衅鳎菏称钒踩珯z測(cè)大展神通
過(guò)氧化氫在制藥、醫(yī)療、紡織、造紙和食品加工等許多領(lǐng)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(cè)不便。寧波大學(xué)張綾芷教授合成了具有垂直柵欄結(jié)構(gòu)的二維MXene材料, 與辣根過(guò)氧化物酶連接構(gòu)筑了過(guò)氧化氫電化學(xué)酶?jìng)鞲衅?。該納米柵欄比表面積大，電子傳導(dǎo)特性?xún)?yōu)良，水中分散特性好；固定在電極上的辣根過(guò)氧化物酶分子表現(xiàn)出了優(yōu)良的過(guò)氧化氫催化效果, 現(xiàn)已成功應(yīng)用于食品中過(guò)氧化氫殘留的檢測(cè)。
10. A位置換反應(yīng)：原子間的物競(jìng)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(bào)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(jié)構(gòu)的基礎(chǔ)上, 利用Al、Zn在高溫下形成共晶產(chǎn)物實(shí)現(xiàn)Zn原子向A層內(nèi)的遷移, 而熔鹽介質(zhì)的存在促進(jìn)了反應(yīng)動(dòng)力學(xué)。本方法巧妙地避免了MAX相傳統(tǒng)合成過(guò)程中競(jìng)爭(zhēng)相的形成，因此可以用于探索更多未知的MAX相材料。
