MXene：表面终端工程与性能优化

说明：本文华算科技旨在说明MXene表面终端（如-F、-O、-OH等）是其性能调控的关键。通过终端工程可主动设计其电化学、催化及物理性质，实现性能优化，是当前MXene研究的核心方向。

MXene是什么？

 

近年来，一种名为MXene的新型二维过渡金属碳化物/氮化物材料，因其独特的类金属导电性、优异的亲水性、巨大的比表面积以及可调控的表面化学性质，在能源存储、催化、电磁屏蔽和生物医学等领域展现出巨大的应用潜力。

MXene的通用化学式为M_n+1X_nT_x，其中M代表前过渡金属，X为碳或氮，而T_x则代表其表面的终端官能团。与理想化的二维材料（如石墨烯）不同，MXene的表面并非“裸露”的，其合成过程必然导致表面附着各种化学官能团，即“终端”。

这些终端并非杂质或缺陷，而是MXene结构中不可或缺的一部分，它们深刻地影响甚至决定着MXene的电子结构、化学稳定性和物理化学性质。

因此，深入理解并精确调控这些表面终端，即所谓的“终端工程”，已成为当前MXene研究领域的核心，是释放其全部潜能的关键所在。

MXene表面的主要终端类型

在最经典的HF或LiF/HCl刻蚀体系中，MXene表面不可避免地会形成以-F（氟）、-O（氧）和-OH（羟基）为主的混合终端。这三种终端通常以无序的方式共存于MXene表面，其相对比例很难精确控制，这导致了实验结果与常假设单一终端的理论计算之间存在差异。

-O（氧终端）：通常以M=O双键的形式存在，被认为是增强材料赝电容和催化活性的关键。

例如，O终端可以通过与电解液中的质子形成氢键来显著提升超级电容器的储能容量。在催化应用中，O终端也被认为有助于优化电子结构，提供优良的催化活性位点。

DOI: 10.1088/1361-648x/abe8a1

-OH（羟基终端）：以M-OH单键形式存在，同样对亲水性和电化学性能有重要贡献。与O终端类似，OH终端也能参与赝电容反应，并影响催化过程中的反应物吸附与活化。

-F（氟终端）：以M-F单键形式存在。研究表明，F终端通常被认为是电化学惰性的，甚至可能占据活性位点，阻碍离子传输，对电容贡献较小。此外，含F终端的MXene在水性环境中稳定性较差，F基团容易被-O或-OH取代。

为了克服传统含氟体系的局限性并拓展终端的多样性，研究人员开发了多种新型合成方法，如碱处理、熔盐法、电化学刻蚀等，从而引入了更多非传统的终端基团。

这些新兴终端包括卤素族的-Cl、-Br、-I，硫族元素的-S、-Se、-Te，甚至-NH、-OCH3（甲氧基）等。例如，通过在熔融盐（如ZnCl₂）中刻蚀MAX相，可以制备出主要由-Cl终端覆盖的MXene。

这些新型终端的引入极大地丰富了MXene的表面化学，为性能调控开辟了全新的可能性。

DOI:10.1021/acsami.4c13540

终端工程：调控MXene性质的核心策略

 

终端工程是通过合成方法选择或后处理手段，有意识地改变MXene表面终端的种类、比例和分布，从而精确调控其宏观性能的策略。

在超级电容器和电池等储能领域，终端工程是提升性能的关键。表面终端直接影响MXene的导电性、层间距、离子扩散动力学以及氧化还原活性位点。

提升电容：通过后处理（如高温退火或碱液处理）可以有效减少电化学惰性的-F终端，同时增加-O终端的比例，从而显著提高材料的比电容和倍率性能。

例如，有研究报道通过调控，NCS/MXene复合材料的比电容可高达2544.1 Fg⁻¹，并在5000次循环后仍保持96%的容量。

改善循环稳定性：合理的终端组成可以增强MXene片层的结构稳定性，减缓其在充放电过程中的氧化和结构坍塌，从而提升循环寿命。

MXene作为一种新兴的催化剂载体或催化剂，其催化活性与表面终端密切相关。终端可以调节MXene的费米能级、电子功函数和表面反应活性。

析氢反应（HER）：终端类型对HER活性有显著影响。理论与实验均表明，通过调控终端可以优化氢原子的吸附自由能。

一些研究指出，富含F的Ti₂CTx纳米片展现出高效的HER活性，而另一些研究则发现O/OH终端覆盖的MXene因其金属性和优异的电荷转移能力而表现出卓越的HER性能。这表明终端对催化性能的调控具有高度的选择性和复杂性。

二氧化碳还原（CO₂RR）：终端工程同样被用于优化CO₂RR的活性和选择性。通过引入特定的终端基团，可以改变反应中间体的吸附能，从而引导反应向期望的产物方向进行。

Doi:10.1016/j.cej.2023.142572

除了电化学和催化性能，终端还影响着MXene的机械、光学等基本物理性质。

机械性能：理论计算表明，-O终端覆盖的MXene通常比-OH和-F终端的具有更高的弹性模量和刚度，这意味着其机械性能更优。

光学性质：不同的终端对光的吸收和反射行为有显著差异。例如，-O终端能增强MXene在可见光区的吸收，而-F和-OH终端则会降低吸收率。这种可调的光学特性使其在光电器件和光催化领域具有应用潜力。

MXene表面终端的研究已经从被动接受发展到了主动设计和精确调控的阶段。“终端”不再仅仅是合成的副产物，而是调控MXene性能的关键手段。

通过先进的终端工程策略，我们可以像定制分子一样，对二维材料的表面进行化学编程，从而实现性能的最大化。

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