Nature子刊: “MXene”为二维材料创造更多可能

美国能源部橡树岭国家实验室的科学家们发现了一种二维材料，这种二维材料可以自我捕获原子来“构建块”，从而形成稳定的结构。

这篇发表在Nature Communications（题目是："In situ atomistic insight into the growth mechanisms of single layer 2D transition metal carbides"）的报道认为其提供了可以改善2D材料设计的见解，可用于快速充电的能量存储和电子设备。

图片来源：美国能源部橡树岭国家实验室

在加热单层MXene后，其官能团会从两个表面上除去。钛和碳原子从一个区域迁移到两个表面，形成孔隙进而形成新的结构。

ORNL的Xiahan Sang说：“在我们的实验条件下，钛和碳原子可以自发地形成一个原子级厚的二维过渡金属碳化物，这是以前从未观察到过的”。

由他和ORNL的Raymond Unocic领导的团队使用最先进的扫描透射电子显微镜（STEM）进行原位实验，结合理论基础模拟，展现原子的细节机制。

“这项研究的目的是确定形成二维过渡金属碳化物新结构的原子级机制和动力学，以便寻找合成此类材料的新方法，”Unocic补充说。

研究之初的起始材料是称为MXene的2D陶瓷。与大多数陶瓷不同，MXenes是良好的导电体，因为它们是由夹在过渡金属（如钛）中的交替的碳或氮原子层组合的。

该研究是FIRST中心的一个项目，该中心是DOE能源的前沿研究中心，该中心主要探索流体-固体界面反应，这些能量传输的反应在日常中应用十分广泛。科学家们进行了实验，以合成和表征先进材料，并进行理论和模拟工作，来解释观察到的材料的结构和功能特性。FIRST项目的新发现为未来的研究提供了重要的指导意义。

实验中使用的高质量材料是由德雷克塞尔大学的科学家以五个MXene的单层薄片合成的。取名为“MAX”的母体晶体，其中“M”表示过渡金属；“A”表示铝或硅等元素；“X”表示碳或氮原子。研究人员通过使用酸性溶液蚀刻掉单原子铝层来剥离材料，并将其分层为单原子层的碳化钛MXene（Ti3C2）。

ORNL科学家在加热芯片上悬挂了一块大的MXene薄片，其上钻有孔，因此没有支撑材料或基材干扰薄片。在真空条件下，将悬浮的薄片裸露，并用电子束照射以清洁MXene表面，同时完全暴露钛原子层。

MXenes通常是惰性的，因为它们的表面覆盖有在酸剥落后保留的保护性官能团——氧，氢和氟原子。除去保护基团后，剩余的物质活化，在蚀刻期间除去钛原子时产生的原子级缺陷——“空位”暴露在单层的外层上。“这些原子空位是良好的起始点，”Sang说。“有利于钛和碳原子从缺陷部位移动到表面。”在有缺陷的区域，当原子迁移时可能形成孔隙。

“一旦这些官能团消失了，就会留下一层裸钛层（下面是交替的碳、钛、碳、钛），它可以自由地重建并在现有结构的顶部形成新结构，”Sang说。

高分辨率STEM成像证明原子从材料的一部分移动到另一部分以构建结构。由于这种物质以自身为食，因此增长机制是同类相食。

“生长机制完全由密度泛函理论和反应性分子动力学模拟支持，从而开启了使用这些理论工具来确定合成特定缺陷结构所需的实验参数的可能性，”宾夕法尼亚州立大学的Adri van Duin说。

大多数时候，只有一层（碳和钛）在表面上生长。随着原子构建新层，材料发生了变化。例如，Ti3C2变成Ti4C3。

“这些材料在离子传输方面效率很高，非常适合在电池和超级电容器中应用，”Unocic说。“当我们在纳米厚的MXene板上添加更多层时，离子迁移如何变化？”这个问题可能会促进未来的研究。

“由于MXenes含有钼、铌、钒、钽、铪、铬和其他金属，因此有机会制造出截面多于三个或四个金属原子的新结构（MXenes生产的电流限制来自MAX阶段），“Drexel大学的YuryGogotsi补充道，“这些材料可能会显示出不同的特性，并创造了一系列2D构建模块的先进技术。”

原文来自：nanowerk，原文题目：2D material cannibalizes itself for atomic building blocks，由材料科技在线团队翻译整理。