《Coordination Chemistry Reviews》：Intercalation and delamination in MXene: unlocking structural evolution and functional applications
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這篇綜述系統闡述了二維材料MXene的插層與剝離過程，及其對材料結構和性能的調控作用。文章深入探討了插層機理、剝離策略及層間工程，并重點分析了其在光催化（包括HER、OER、CO2還原、固氮等）領域的廣泛應用，為MXene在能源與環境領域的深入開發提供了全面指導。
MXene（二維過渡金屬碳化物/氮化物/碳氮化物）自2011年被發現以來，憑借其優異的導電性、機械性能和化學可調性，迅速成為材料科學領域的研究前沿。其通用化學式為Mn+1XnTx，其中M代表過渡金屬（如Ti、Nb、V），X為碳和/或氮，Tx為表面官能團（如–O、–F、–OH）。MXene通常通過對MAX相（三元層狀碳化物或氮化物）中的A層元素進行選擇性蝕刻獲得。
MXene的基本性質
MXene展現出多樣化的晶體形態和獨特的二維片層幾何結構。其電子結構通常呈現金屬或半金屬特性，導電性極佳，這主要歸功于過渡金屬d軌道的重疊。表面官能團對其電子密度態、帶隙及化學反應性具有決定性影響。例如，理論研究顯示，Mo摻雜可將Ti3C2O2從金屬態轉變為半導體態，甚至可能具有二維拓撲絕緣體特性。
插層與剝離的核心作用
插層與剝離是調控MXene結構與性能的兩個關鍵過程，二者協同作用，共同釋放MXene的應用潛力。
插層是指將離子、分子或溶劑引入MXene層間的過程。這能有效增加層間距，改變表面化學性質，從而提升離子傳輸速率和電導率，使其在超級電容器、電池等能量存儲應用中更為高效。插層還可以通過緩解內部應力來增強結構穩定性。
剝離則是將多層MXene結構分離成單層或少層納米片的過程。這極大地增加了材料的比表面積，暴露出更多的活性位點，顯著提升了其在催化、吸附和表面敏感過程中的性能。剝離通常需先通過插層減弱層間作用力，再輔以超聲或化學剝離法實現。
插層機制與類型
插層過程主要由靜電力驅動，帶電物種被MXene帶負電的表面所吸引。常見的插層劑包括無機離子（如Li+、Mg2+）、有機分子（如四丁基銨離子、肼）以及聚合物等。不同類型的插層劑會不同程度地擴大層間距，并可能部分取代或重排原有的表面官能團（–F、–O、–OH），從而精細調控MXene的電子結構和表面反應活性。例如，采用-SO4終端基團修飾可擴大Ti3C2Tx的層間通道，使其在全固態超級電容器中的面積電容提升高達143%。
剝離策略
剝離策略主要分為化學法、電化學法和機械法。
化學剝離是使用最廣泛的方法，通常借助插層劑（如有機堿、季銨鹽）膨脹層狀結構后，通過超聲處理實現剝離。
電化學剝離則通過施加電場驅動離子嵌入和脫出，從而溫和地分離層板。
機械剝離，如更高壓力均質化（HPH）技術，提供了一種無需化學插層劑即可規�；a高質量MXene納米片的途徑，更具成本效益且環境友好。
層間空間工程
通過對MXene層間距離進行系統調控，即層間空間工程，可以優化其離子擴散、電荷存儲和機械柔韌性。將有機分子、聚合物或金屬離子插入層間是常見手段。例如，將苯基膦酸二氨基己烷（PPDA）插層到MXene中，不僅擴大了層間距，還顯著提升了聚乳酸（PLA）復合材料的阻燃性和熱穩定性。
插層與剝離MXene的形貌
經歷插層與剝離后，MXene可呈現出豐富多樣的形貌，包括片狀、層狀、手風琴狀、納米球、泡沫狀、花狀、納米管及三維網絡結構等。這些形貌直接影響材料的比表面積、導電性、機械柔性和離子傳輸路徑。例如，與一維導電核殼細菌纖維素@聚吡咯纖維復合，可以構建具有雙重離子傳輸通道的再堆疊少層MXene薄膜，從而獲得優異的面積電容和拉伸強度。
在光催化等領域的應用
憑借可調的結構和優化的表面，經過插層與剝離處理的MXene在光催化領域展現出巨大潛力，其應用涵蓋多個關鍵反應：
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析氫反應（HER）與析氧反應（OER）：作為助催化劑或載體，MXene能有效促進水分解制氫和制氧過程。
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CO2還原：MXene可作為CO2還原反應的催化劑基底，理論計算表明，負載在O終端Ti2C MXene上的銅簇能有效吸附并活化CO2分子。
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固氮：MXene可用于光催化或電催化氮氣還原合成氨。
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過氧化氫（H2O2）生產：MXene基材料在光催化合成H2O2方面表現出良好前景。
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全水分解（OWS）：集成HER和OER催化劑，實現高效的整體水分解。
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污染物降解：利用其催化活性，MXene可用于降解有機污染物，凈化環境。
挑戰與未來展望
盡管取得了顯著進展，MXene的大規模應用仍面臨挑戰。包括插層/剝離過程的可控性與重現性、長期循環下的結構穩定性、表面官能團的精準調控、規�；a的成本與環境影響，以及在不同應用環境中性能的保持等。未來的研究需要深入理解插層與剝離的原子級機理，開發更環保、高效的合成與改性策略，并探索MXene在生物醫學、柔性電子等新興領域的交叉應用，以期充分發揮這類多功能二維材料的潛力。
