Advanced Functional Materials:通过表面控制和层间工程调制2D MXenes:方法、性能和同步辐射表征

MXenes作为一类新兴层状过渡金属碳化物/氮化物,基于自身多种优异特性已经在电化学储能/转化、光催化/电催化等多种领域得到广泛的关注。事实上,MXenes的结构和性质可以通过控制表面修饰和层间结构实现高度可调,基于这一特性,MXenes在相应领域的研究日益取得瞩目的进展。此外,MXenes结构变化与性能之间本征联系的探究也吸引着广大科研工作者的目光,具有“神奇之光”称号的同步辐射光源为上述MXenes结构表征打开了一扇窗,同步辐射谱学表征在探索MXenes性质与结构之间的因果关系方面展现出巨大的潜力,特别是原位X射线技术为深入解析MXenes能源材料的动态工作过程提供了有力支持。

依托同步辐射大科学装置,中国科大宋礼教授课题组在功能纳米材料及其X射线研究领域积累了丰富的经验。他们针对近年来MXenes领域的研究进展,总结了常用的MXenes合成手段,从理论计算和实验等方面讨论了表面官能团和层间调控对MXenes结构、性能的影响,着重总结了包含非原位/原位同步辐射X射线吸收谱在MXenes的结构和动态储能机理方面研究的适用性和必要性。其中,含F刻蚀剂刻蚀仍是MXenes制备的最主要方法,电化学法、高温浓碱水热法和路易斯酸等方法也逐渐得到发展。不同表面基团和离子/小分子插层对MXenes的电子结构,层间结构以及包含超级电容器、电池和电催化在内的能源应用有显著影响。而同步辐射X射线吸收谱为研究MXenes的结构提供了重要手段,同步辐射近边和扩展边吸收谱对MXenes中过渡金属原子的氧化态和的局域结构具有敏感性,软X射线吸收谱对于MXenes表面基团电子结构的研究具有很好的适用性,非原位和原位吸收谱表征可用于研究MXenes的结构变化及其在各种应用中的动力学机制。同时,他们对MXenes的研究和同步辐射的应用也进行了展望,虽然MXenes的表面修饰基团及插层对其结构和多方面应用有着重要的影响,但单一修饰基团的影响研究仍局限于理论计算。因此,需要发展新的制备方法和后续的处理手段在实验上合成具有特定表面基团的MXenes。层间距调控也需要更深入的研究以实现特定插层剂的选择性插层。另一方面,设计性能优异的MXenes复合材料对实现各领域的突破也至关重要。同时得益于同步辐射光源的发展和对MXenes结构、机理研究的更高要求,除同步辐射X射线吸收谱之外,许多其它基于同步辐射光源的表征方法和技术手段都需要进一步发展用于实现对MXenes的深入研究,如同步辐射光电子能谱、同步辐射红外光谱和同步辐射近常压光电子能谱等技术。相关论文在线发表在Advanced Functional Materials(DOI: 10.1002/adfm.202000869)上。