巴智晨，梁大鑫，謝延軍

（1.東北林業(yè)大學(xué)木質(zhì)新型材料教育部工程研究中心，2.東北林業(yè)大學(xué)材料科學(xué)與工程學(xué)院,哈爾濱150040）

2004年，石墨烯的首次發(fā)現(xiàn)和制備［1］開啟了二維材料的新時(shí)代. 隨后，氮化硼（BN）、過渡金屬二硫化物（MoS2，WS2）和黑磷等二維材料也被制備出來. 二維材料因其較大的比表面積、優(yōu)異的導(dǎo)電、導(dǎo)熱性和較高的載流子遷移率等特點(diǎn)而被應(yīng)用在各個(gè)領(lǐng)域. 2011 年，Gogotsi 等［2］制備出了新型二維材料—過渡金屬碳（氮）化物（MXenes）. 其因具有獨(dú)特的親水性、優(yōu)異的力學(xué)性能、豐富的表面官能團(tuán)、高導(dǎo)電率和較高的光熱轉(zhuǎn)化效率等特點(diǎn)而成為二維材料的研究熱點(diǎn)，并被廣泛應(yīng)用在電磁屏蔽、電學(xué)儲(chǔ)能、生物醫(yī)藥、分離、傳感器和海水淡化等領(lǐng)域. 然而，經(jīng)過簡(jiǎn)單刻蝕制備的MXenes不能滿足各種應(yīng)用領(lǐng)域的需求，需要對(duì)其進(jìn)行表面/界面改性處理及結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，以適應(yīng)不同實(shí)驗(yàn)條件和性能的需求. 本文介紹了MXenes的制備方法、結(jié)構(gòu)和性質(zhì)，總結(jié)了其在界面調(diào)控方面的研究成果，對(duì)其在復(fù)合材料中的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)進(jìn)行匯總，并指出了目前MXenes復(fù)合材料研究存在的問題和未來的發(fā)展方向.

1 MXenes的制備、結(jié)構(gòu)與性質(zhì)

MXenes 是一類由過渡金屬碳化物、氮化物或碳氮化物構(gòu)成的二維材料［圖1（A）］［3］. MXenes 通常是通過含F(xiàn) 溶劑（HF，HCl+LiF，NH4HF2等）刻蝕前驅(qū)體MAX 相中的“A”制得，其化學(xué)式為Mn+1XnTx（n=1～3），其中M 為早期過渡金屬，A 為第三主族或第四主族元素，X 為C 或N 元素，T 為表面化學(xué)基團(tuán)（—OH，—F，—O 等）. 對(duì)于“T”來說，不同的刻蝕方法可以使其化學(xué)基團(tuán)不同，還可以通過后處理的方法將不同的原子（N，S，P，Cl等）修飾到上面［4］. 為了更清楚地了解MXenes的二維結(jié)構(gòu)，以Ti3AlC2的刻蝕為例［圖1（B）］［5］，在其層狀原子結(jié)構(gòu)中，Ti—Al 鍵相對(duì)于Ti—C 鍵結(jié)合強(qiáng)度弱，因此通過刻蝕Al層來制備MXenes. 通過刻蝕超聲后形成的單層MXene 的原子結(jié)構(gòu)呈“三明治”結(jié)構(gòu)，三層Ti 原子與兩層C 原子交替排列，“T”代表的官能團(tuán)與在最外層的Ti 原子連接. 迄今，實(shí)驗(yàn)室已制備出30 多種MXenes材料，還有幾十種MXenes已經(jīng)被理論計(jì)算出來.

Fig.1 Structure of MAX phase and corresponding MXenes(A)[3]and preparation process and multilayer and monolayer structure of Ti3AlC2(B)[5]

1.1 MXenes的制備

2011 年，Gogotsi 等［5］利用HF 刻蝕首次成功制備出Ti3C2Tx，但是HF 具有強(qiáng)烈的腐蝕性和毒性，對(duì)人體和環(huán)境均有較大危害. 為了規(guī)避這一風(fēng)險(xiǎn)，Ghidiu 等［6］進(jìn)一步利用含氟溶液（HCI+LiF）原位生成HF進(jìn)行刻蝕，后來又陸續(xù)發(fā)展出含氟熔鹽法［7］和水熱法［8］，但是這些方法所制備的MXenes產(chǎn)量較低.為了提高產(chǎn)率，Sun 等［9］利用電化學(xué)刻蝕法制備了MXene，產(chǎn)率可達(dá)90%. 由于在氧氣中MXenes 容易被氧化且表面含氟的官能團(tuán)對(duì)于電學(xué)儲(chǔ)能有負(fù)面的影響，因此近些年又涌現(xiàn)出路易斯酸熔融鹽的無水無氟刻蝕法［10］. Li等［11］發(fā)現(xiàn)，這種制備MXenes的策略可顯著拓寬MXenes前驅(qū)體MAX相的選擇范圍，而且該法所得MXenes 材料作為儲(chǔ)能材料具有高容量、高倍率特性. 如表1 所示，在實(shí)際的制備過程中，針對(duì)不同的材料性能需求，可以采用不同的方法進(jìn)行制備［12］.

Table 1 Different etching methods of MXenes[12]

1.2 MXenes的結(jié)構(gòu)

通過刻蝕得到的MXenes呈“手風(fēng)琴層狀結(jié)構(gòu)”［圖2（A）］［13］，由于層與層之間的相互作用為范德華力，所以經(jīng)過一定的機(jī)械處理（手搖、超聲等）即可進(jìn)一步剝離為單層的MXenes. 刻蝕后其單層的原子結(jié)構(gòu)為n+1層“M”原子與n層“X”原子交替排列，“T”官能團(tuán)與最外層的“M”原子相連. 通過選區(qū)電子衍射（SAED）圖像可以看出MXene 為六方晶體結(jié)構(gòu)［圖2（B）］［14］. 在剝離前還可對(duì)MXene 進(jìn)行插層預(yù)處理，擴(kuò)大層間距，使其更容易被剝離.

為了更好地理解結(jié)構(gòu)差異對(duì)MXenes性能的影響，可以通過密度泛函理論（DFT）對(duì)其分子構(gòu)象、電化學(xué)性能、能帶結(jié)構(gòu)等進(jìn)行理論計(jì)算. Xie 等［15］研究了碳化物和氮化物對(duì)其結(jié)構(gòu)和電子性質(zhì)的影響.研究表明，“M”、“X”和“T”三者之間共有3種構(gòu)象（圖3），構(gòu)象Ⅰ中兩側(cè)所有的官能團(tuán)均位于相鄰的3個(gè)C或N原子形成的空穴上方，并指向第二層的Ti原子；構(gòu)象Ⅱ?yàn)閮蓚?cè)所有的官能團(tuán)均位于第一層C或N原子的上方；構(gòu)象Ⅲ為一側(cè)呈構(gòu)象Ⅰ結(jié)構(gòu)，另一側(cè)為構(gòu)象Ⅱ結(jié)構(gòu). 其中構(gòu)象Ⅰ能量最低，最穩(wěn)定；構(gòu)象Ⅱ能量最高，最不穩(wěn)定. 這是因?yàn)門i 原子是主要的電子供體，官能團(tuán)比C或N 原子更容易與Ti 原子結(jié)合.他們還將碳化物與氮化物進(jìn)行了比較，發(fā)現(xiàn)碳化物具有較大的晶格常數(shù)和較長(zhǎng)的鍵長(zhǎng). Enyashin等［16］也探究了“X”原子差異對(duì)MXene 結(jié)構(gòu)的影響，得到了相似的結(jié)論，并發(fā)現(xiàn)當(dāng)N 取代C 時(shí)會(huì)導(dǎo)致晶格常數(shù)減小，同時(shí)含N 量較多時(shí)MXene 結(jié)構(gòu)更加穩(wěn)定. Khazaei 等［17］探究了Mo2AC（A = Al，Si，P，Ga，Ge，As，In）相的層間元素對(duì)于剝離的影響，經(jīng)過理論計(jì)算得到Mo2InC 最容易通過剝離得到片層狀Mo2C，Mo2C更易與F，Cl，Br，OH基團(tuán)形成強(qiáng)的鍵合作用，使材料整體更加穩(wěn)定，其中與F原子的強(qiáng)結(jié)合尤為關(guān)鍵. Gao 等［18］探究了不同金屬原子吸附或取代對(duì)于MXene 性質(zhì)的影響，發(fā)現(xiàn)吸附效果越強(qiáng)，鍵長(zhǎng)越短，電荷越多，d-電子中心負(fù)電荷越少，同時(shí)對(duì)于金屬原子，摻雜到MXene 中的第二層Ti 更穩(wěn)定.

Fig.2 SEM image of multilayer MXene(A)[13] and TEM image of single layer MXene with SAED image in the upper right corner(B)[14]

Fig.3 Three structure configurations of MXenes with differernt arrangements of the surface atoms[15]

1.3 MXenes的性質(zhì)

結(jié)構(gòu)決定性質(zhì)，同時(shí)性質(zhì)又反映結(jié)構(gòu). 在明晰MXenes 的結(jié)構(gòu)之后，可以確定其主要性質(zhì)如下：（1）良好的親水性. 這個(gè)特點(diǎn)是其它二維材料不具備的. MXenes 在刻蝕后表面帶有—F、—O、—OH等官能團(tuán)，可以在水介質(zhì)中均勻分散，便于進(jìn)一步的復(fù)合操作；同時(shí)其表面的官能團(tuán)帶有負(fù)電性，使得MXenes 在水中能夠長(zhǎng)時(shí)間保持穩(wěn)定；另外其表面豐富的官能團(tuán)也可以與其它材料通過氫鍵復(fù)合或?yàn)槠浔砻娓男蕴峁C(jī)會(huì).（2）良好的導(dǎo)電性. 對(duì)于單層無缺陷的Ti3C2Tx片層材料，其電導(dǎo)率高達(dá)6500 S/cm，但經(jīng)過HF 刻蝕得到的Ti3C2Tx粉末的電導(dǎo)率顯著降低（1000 S/cm）［19］.（3）較低的鋰離子擴(kuò)散勢(shì)壘. 單層Ti3C2Tx的鋰離子擴(kuò)散能壘（0.07 eV）遠(yuǎn)低于石墨烯（0.3 eV）［20］，使Li+在其中有較快的擴(kuò)散速率，從而具有優(yōu)異的儲(chǔ)能性能.（4）優(yōu)異的光熱轉(zhuǎn)換性能. MXene（Ti3C2Tx）的消光系數(shù)（25.2 L·g?1·cm?1）遠(yuǎn)高于石墨烯（3.6 L·g?1·cm?1）［21］，使其作為光熱材料在近紅外區(qū)域的光熱轉(zhuǎn)換效率較高，可以快速升溫.（5）磁性. 大多數(shù)磁性MXenes 是基于磁性過渡金屬元素（Cr，V，Mn，Mo，F(xiàn)e，Co，Ni等）或含有它們的摻雜結(jié)構(gòu)來實(shí)現(xiàn)的［22］，例如Cr2C和Cr2N經(jīng)過官能團(tuán)（—F，—OH，—O）修飾后具有磁性［23］；通過對(duì)Sc2CT2進(jìn)行Cr和Mn的摻雜也可以賦予Sc2CT2以磁性［24］.（6）金屬性. 沒有官能團(tuán)修飾時(shí)所有的MXenes 均表現(xiàn)出金屬性，當(dāng)其官能化后，大部分MXenes 仍保持金屬性，只是有個(gè)別MXenes，如Sc2CX2（X=F、OH 和O）、Ti2CO2、Zr2CO2、HF2CO2呈現(xiàn)出半導(dǎo)體特性［25］.（7）等離子體特性. MXenes（Ti3C2Tx）是一類具有極快電子-聲子耦合的等離子體材料，聲子能量可在其二維界面上迅速轉(zhuǎn)換［25］.

2 MXenes的界面調(diào)控

刻蝕過程使MXenes表面富含親水性官能團(tuán)（—F，—O，—OH），便于MXenes與多種材料復(fù)合. 但其與疏水性高分子的復(fù)合卻因相容性差，導(dǎo)致界面結(jié)合強(qiáng)度低，無法獲得優(yōu)異的力學(xué)性能. 此外，這些官能團(tuán)類型相對(duì)單一，無法滿足一些應(yīng)用領(lǐng)域的性能要求，比如對(duì)于電學(xué)儲(chǔ)能，帶負(fù)電末端基團(tuán)（—F，—OH）的存在會(huì)阻礙電解質(zhì)離子的運(yùn)輸，同時(shí)使得Li+、Na+具有緩慢的擴(kuò)散動(dòng)力學(xué)，從而嚴(yán)重降低了電池的儲(chǔ)能能力［26］. 基于上述問題，對(duì)MXenes的界面調(diào)控非常重要.

2.1 界面調(diào)控對(duì)MXenes自身性能的影響

Fig.4 Contact angle of Ti3C2, F?Ti3C2 and TMA?Ti3C2(from left to right)(A)[27], schematic diagram of N?doped formats(B)[29]and process chart of grafting MXene onto alkyl phosphoric acid and photo?graphs before and after modification(C)[30]

2.1.1 界面調(diào)控對(duì)自身性能的影響 界面調(diào)控會(huì)使MXenes自身的性質(zhì)有所改變. Guan等［27］首次利用原子力顯微鏡探究了表面性質(zhì)對(duì)MXene摩擦和黏附性能的影響，分別用HCl+LiF、HF、四甲基氫氧化銨（TMAOH）刻蝕處理Ti3AlC2得到Ti3C2、F-Ti3C2和TMA-Ti3C2，經(jīng)過摩擦測(cè)試發(fā)現(xiàn)TMA-Ti3C2具有負(fù)的摩擦因子，通過接觸角測(cè)試［圖4（A）］得知TMA-Ti3C2相比Ti3C2和F-Ti3C2親水性更好，具有更強(qiáng)的黏附性，從而得知界面相互作用的強(qiáng)度和摩擦力隨著MXenes 表面親水性的增加而增加. Agresti 等［28］發(fā)現(xiàn)在MXenes的合成過程中其表面即實(shí)現(xiàn)了功能化，這改變了材料表面附近的靜電電勢(shì)，影響了其電子結(jié)構(gòu)，并改變了功函數(shù). 通過DFT計(jì)算可知，表面基團(tuán)會(huì)強(qiáng)烈影響MXenes的狀態(tài)密度和功函數(shù)，使其在1.6 eV（—OH）到6.25 eV（—O）的范圍內(nèi)變化. Lu等［29］探究了MXene結(jié)構(gòu)中的N摻雜方式及摻雜過程對(duì)材料電學(xué)性能的影響. N 摻雜有3 種可能的方式：晶格取代（C）、官能團(tuán)取代（—OH）和表面吸附（—O）［圖4（B）］. N通過Ti—O—N鍵結(jié)合在MXene表面，使其具有較高的比表面積和較大的孔容，且導(dǎo)電率得以提高，同時(shí)還發(fā)現(xiàn)Ti—C 鍵強(qiáng)度會(huì)受到表面官能團(tuán)的影響［Ti3C2（OH）2＞Ti3C2F2＞Ti3C2O2］.Kim等［30］在酸性水相中，通過一步法將烷基磷酸配體利用界面親核加成和順序縮合形成Ti—O—P鍵接枝到MXene表面，隨后通過相轉(zhuǎn)移進(jìn)入有機(jī)溶劑體系［圖4（C）］. 依靠長(zhǎng)烷基鏈的空間穩(wěn)定性和強(qiáng)非極性作用的溶劑化效應(yīng)，提升了MXene在非極性有機(jī)溶劑中的溶解性，擴(kuò)展了在有機(jī)介質(zhì)中的應(yīng)用. 此外，烷基磷酸改性還能夠提升MXene 的熱穩(wěn)定性及抗氧化能力. Zhang 等［31］通過表面修飾調(diào)控了MXene的光致發(fā)光性能，其發(fā)射波長(zhǎng)隨著激發(fā)波長(zhǎng)從紫光變?yōu)榧t光而產(chǎn)生紅移. 在此基礎(chǔ)上，通過檸檬酸和乙二胺表面改性可進(jìn)一步使其發(fā)射波長(zhǎng)移至近紅外區(qū)域. DFT計(jì)算表明，這種和激發(fā)波長(zhǎng)相關(guān)的光致發(fā)光現(xiàn)象與Ti3C2Tx表面存在的TiO2缺陷有關(guān).

2.1.2 界面調(diào)控對(duì)應(yīng)用性能的影響 Li等［25］探究了表面活性劑對(duì)MXene界面?zhèn)鬟f的影響，發(fā)現(xiàn)相比十二烷基硫酸鈉（SDS）和四甲基溴化銨（TMAB）較弱的界面作用（范德華力、氫鍵作用）或較短的碳鏈，十六烷基三甲基溴化銨（CTAB）與MXene 有更強(qiáng)的庫(kù)侖力作用，可通過離子鍵鍵合形成雙層膜包覆在MXene表面，從而延緩其能量弛豫速率，有效阻擋能量向水中擴(kuò)散. Liu等［32］利用范德華力使過渡金屬氧化物（TiO2、SnO2）在MXene 表面自組裝，有效降低了MXene 的表面能，使復(fù)合后的異質(zhì)結(jié)構(gòu)能夠更好地分散在有機(jī)溶劑中而防止團(tuán)聚，有效提升了其電學(xué)性能. Riazi等［33］利用氨基硅烷偶聯(lián)劑（AEAPTMS）對(duì)MXene改性（圖5），形成了共價(jià)鍵（Ti—O—Si）和靜電作用（氨基）共同存在的化學(xué)和物理結(jié)合作用，經(jīng)過改性后的MXene可通過表面氨基在不同pH值下質(zhì)子的吸附-解吸附來實(shí)現(xiàn)pH值響應(yīng).

Fig.5 Schematic diagram of MXene modified by aminosilane coupling agent(A), surface charge of the pristine MXene and AEAPTMS?Ti3C2Tx versus pH(B) and 25 mL vials showing self?assembly of MXenes obtained from mixing the positively charged functionalized MXene and the negatively charged pristine MXene(C)[33]

2.2 MXenes界面調(diào)控對(duì)復(fù)合材料性能的影響

MXenes 基復(fù)合材料的應(yīng)用領(lǐng)域十分廣泛，如電學(xué)儲(chǔ)能、電磁屏蔽、微波吸收、生物醫(yī)藥、分離和海水淡化等. 上一節(jié)中的改性是基于對(duì)MXenes本身性質(zhì)的調(diào)控，而在實(shí)際應(yīng)用領(lǐng)域中，還要進(jìn)一步考慮界面調(diào)控對(duì)于復(fù)合材料之間以及整體性能影響.

Fig.6 Schematic diagram of the interface layer and the binding energies between different functional groups and iodine atoms of MXene(A)[36], preparation of CTAB modified MXene(B)[38] and prepara?tion of PANI modified MXene(C)[39]

2.2.1 電化學(xué)儲(chǔ)能領(lǐng)域 Fang 等［34］利用Ti3C2Tx可以有效誘導(dǎo)Na 的初始成核和側(cè)向沉積、以及其表面含氧官能團(tuán)對(duì)Na 金屬有很好親和性的特點(diǎn)，以Ti3C2Tx作為鈉離子電池的陽(yáng)極，通過恒壓電泳沉積將MXene沉積在碳纖維布表面，所制備的具有三維結(jié)構(gòu)的陽(yáng)極可以有效降低局部電流密度，誘導(dǎo)均勻沉積，從而抑制Na 枝晶的生長(zhǎng). Fang 等［35］將熔融的鋰或鈉金屬注入到Ti3C2Tx-rGO 復(fù)合結(jié)構(gòu)中制備了無枝晶的柔性堿金屬陽(yáng)極，MXene表面豐富的官能團(tuán)使得熔融堿金屬和Ti3C2Tx-rGO之間具有優(yōu)異的親和力，形成了Ti—Li/Na、O—Li/Na 和F—Li/Na的共價(jià)/離子鍵，所制備的電極能夠有效防止鋰或鈉枝晶的生長(zhǎng)，并具有長(zhǎng)期的循環(huán)穩(wěn)定性（在5 mA/cm2電流密度下，可以使用300 h，循環(huán)750次），在全電池測(cè)試中，該陽(yáng)極顯示了較低的極化率，在循環(huán)1000次后仍能保持96.6%的電容. Sun等［36］利用MXene作為陽(yáng)極的界面層［圖6（A）］，由于表面的羥基與碘原子有較高的結(jié)合能，因此—OH可對(duì)I2起錨定作用，抑制I2的溶解和穿梭效應(yīng)，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)I2的高負(fù)載率（70%）和超高負(fù)載質(zhì)量（5.2 mg/cm），在2 C電流密度下可循環(huán)超過1000次，具有良好的循環(huán)穩(wěn)定性. Wang 等［3］進(jìn)一步探究了不同原子修飾的MXene 的電化學(xué)性能，發(fā)現(xiàn)Ti3C2對(duì)S原子具有很強(qiáng)的吸附性，可以使Li-S電池中的Li2Sn和S8快速溶解，使S負(fù)載到Ti3C2表面；而對(duì)于S的鋰化，Ti3C2O2和Ti3C2S2的吸附強(qiáng)度高于其它種類的MXenes，且隨著鋰化程度增加，Ti3C2T2和Li2Sn（或S8）基于Li—T 鍵的化學(xué)作用增強(qiáng)，而基于范德華力的物理作用減小，同時(shí)Ti3C2O2和Ti3C2S2可以有效催化Li2S分解，降低Li-S電池的過電位. 由于MXenes獨(dú)特的親水性，其與有機(jī)電解質(zhì)的相容性較差，為此Wang 等［37］對(duì)Li-S 電池的隔膜進(jìn)行優(yōu)化，利用氫鍵作用將全氟磺酸（Nafion）接枝在MXene 表面，并通過真空抽濾將其沉積在聚丙烯（PP）膜上. Nafion 修飾提高了MXene與PP的相容性及對(duì)電解質(zhì)的浸潤(rùn)性，同時(shí)Nafion通過靜電作用排斥聚硫化物并促進(jìn)Li+的運(yùn)輸，MXene也利用其自身對(duì)聚硫化物的物理攔截實(shí)現(xiàn)其再利用. Zhang等［38］將CTAB接枝到碳納米管上后，利用靜電作用與MXene 自組裝并與PP 復(fù)合制成Li/Na-Se 電池隔膜［圖6（B）］. 他們通過CTAB 接枝改性提升MXene的疏水性來增加隔膜與電解質(zhì)的接觸，利用MXene的Ti位點(diǎn)與聚硒化物之間的Lewis酸堿相互作用來固定聚硒化物，限制Se的穿梭效應(yīng). 同時(shí)CTAB的插層作用擴(kuò)大了MXene的層間距，有利于離子傳輸，進(jìn)而提升了Li/Na-Se電池的電化學(xué)性能和循環(huán)使用性. MXenes的儲(chǔ)能能力很大程度上取決于其表面基團(tuán)的性質(zhì)，經(jīng)過刻蝕后其表面大量帶負(fù)電性的基團(tuán)（—F，—OH，—O）會(huì)對(duì)電池中的陽(yáng)離子（Li+、Na+、K+等）傳輸產(chǎn)生阻礙作用，導(dǎo)致緩慢的離子擴(kuò)散動(dòng)力學(xué)，進(jìn)而降低電池的儲(chǔ)能能力. Li等［26］通過KOH處理和煅燒處理改變了MXene的表面性質(zhì)，通過堿處理使其表面的部分氟原子被羥基取代，再通過煅燒進(jìn)一步減少氟原子含量，同時(shí)移除表面羥基，使得更多的Ti原子參與氧化還原反應(yīng)，從而賦予電池贗電容性質(zhì)，經(jīng)過處理后電池的贗電容比原來提高3倍，其質(zhì)量比電容提高了211%（在1 A/g充電速率下為517 F/g）. Wang 等［39］將陽(yáng)離子型聚苯胺（PANI）在無氧化劑存在下借助Ti—N 鍵自發(fā)在MXene表面聚合［圖6（C）］，PANI接枝不但擴(kuò)大了層間距，還將MXene表面的電荷由負(fù)轉(zhuǎn)正，從而削弱了負(fù)電荷對(duì)于Na+的阻礙作用，改善了離子擴(kuò)散動(dòng)力學(xué)，同時(shí)也促進(jìn)了三維網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)的形成，提高了MXene與電解質(zhì)的濕潤(rùn)性，擴(kuò)大了其溫度適用范圍（?30～50 ℃）.

除了鋰（鈉）電池以外，Zhao等［40，41］利用靜電作用分別設(shè)計(jì)了由聚二烯丙基二甲基氯化銨（PDDA）和富集N的多孔碳納米片組成的Ti3C2異質(zhì)結(jié)和Sb納米顆粒包覆的鈉離子預(yù)插層的Ti3C2異質(zhì)結(jié)作為鉀離子電池的陽(yáng)極. 這兩種結(jié)構(gòu)擴(kuò)大了MXene的層間距，加快了離子/電子的傳輸速率，同時(shí)也具有較高的化學(xué)穩(wěn)定性，能很好地延緩由于電極體積膨脹而導(dǎo)致的電池性能下降. 另外，該結(jié)構(gòu)也增加了電極的比表面積，暴露出更多的活性中心，從而提高電池的電容利用率. 他們還通過DFT計(jì)算得出這兩種異質(zhì)結(jié)可以減少鉀離子的吸附能，加速了反應(yīng)動(dòng)力學(xué). Yang等［42］采用經(jīng)UV-臭氧處理的MXene作為鈣鈦礦太陽(yáng)能電池的電子運(yùn)輸層，并解析了其表面官能團(tuán). 結(jié)果表明MXene 的親水性提升，同時(shí)Ti—O鍵增多，提高了MXene與鈣鈦礦的界面結(jié)合強(qiáng)度，促進(jìn)了電子的轉(zhuǎn)移. Wang等［43］對(duì)超級(jí)電容器性能進(jìn)行了優(yōu)化提升，利用Na+預(yù)插層，通過Ti—O—C鍵連接使重氮離子原位插層接枝在MXene表面. 重氮離子不僅增大了MXene層間距，還提供了額外活性位點(diǎn)，提高了比表面積，縮短了電極與電解質(zhì)離子的擴(kuò)散路徑，使其比電容增加到原來的2 倍，并且具有很好的循環(huán)穩(wěn)定性. Feng 等［44］制備了鈦酸鋇（BT）/MXene/聚偏氟乙烯（PVDF）三元介電材料用于介電電容器，加入的少量MXene豐富了材料的界面類型并增強(qiáng)了界面相容性和界面極化作用，增大了介電損耗和電導(dǎo)率.

2.2.2 傳感器領(lǐng)域 Aakyiir等［45］將烯丙胺通過氫鍵和共價(jià)鍵接枝到MXene表面，并與丁二烯橡膠共混制備了導(dǎo)電彈性體. 接枝后MXene表面的—NH2既可以與丁二烯反應(yīng)，又能夠提升與疏水性橡膠的相容性，增強(qiáng)界面強(qiáng)度，同時(shí)降低兩者的表面能差，為制備導(dǎo)電彈性體基可拉伸器件打下基礎(chǔ). An等［46］利用靜電相互作用將帶正電的聚電解質(zhì)（PDAC）與帶負(fù)電的MXene 通過層層自組裝制備成復(fù)合涂層（圖7），該涂層通過噴涂可以有效附著在不同類型的無機(jī)氧化物和有機(jī)高分子的表面上，可以應(yīng)用在人工皮膚、壓力傳感器、地形傳感器等方面. Zhu等［47］將通過酸刻蝕和KOH插層制備的MXene涂覆在玻碳電極（GCE）表面制備了電化學(xué)檢測(cè)裝置，基于MXene表面—OH與金屬陽(yáng)離子的靜電作用，可同時(shí)實(shí)現(xiàn)對(duì)Cd2+、Pb2+、Cu2+、Hg2+等金屬離子的檢測(cè). 在HF 刻蝕后有少量TiO2生成，從而增加了傳感器的可接觸面積，提高了檢測(cè)靈敏度. 而堿處理將阻礙電子轉(zhuǎn)移的—F基團(tuán)轉(zhuǎn)換為—OH，形成［Ti-O］-H+和［Ti-O］-K+，進(jìn)一步促進(jìn)了離子交換，增強(qiáng)了對(duì)金屬離子的吸附. 實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，在其它3種金屬離子存在時(shí)，Pb2+優(yōu)先沉積，而在Cd2+存在的情況下，對(duì)Hg2+的檢測(cè)敏感性增強(qiáng). Sun等［48］利用氫鍵作用將辛基磷酸修飾在MXene表面作為活性層制備電阻儲(chǔ)存器件，該器件具有較長(zhǎng)的電阻保留時(shí)間（4000 s）、高的開啟/關(guān)閉速率以及突出的靈活性，擴(kuò)展了MXene在電阻儲(chǔ)存方面的應(yīng)用.

2.2.3 電磁屏蔽和微波吸收領(lǐng)域 Li等［49］利用PDDA對(duì)Ni（OH）2修飾使其帶正電荷，并通過靜電作用與MXene 復(fù)合后原位還原生成Ni 顆粒，制備出Ni@MXene 微波吸收材料（圖8）. MXene 在刻蝕剝離過程中表面產(chǎn)生了大量的電荷、缺陷和層狀界面，導(dǎo)致了更多的電子弛豫極化，增強(qiáng)了對(duì)微波的吸收.在Ni原位還原之后，降低了ε′值，使其與電磁波的阻抗匹配，進(jìn)一步增強(qiáng)了材料對(duì)微波的吸收能力.同時(shí)，MXene 的層狀結(jié)構(gòu)也增加了介電損耗，因此Ni@MXene 材料具有優(yōu)異的微波吸收能力. Zhang等［50］采用溶劑熱方法將Fe3O4原位修飾在MXene表面，提升了MXene的阻抗匹配，促進(jìn)了界面極化，從而增強(qiáng)了其微波吸收性能，并且，使用溶劑熱合成代替水熱合成避免了MXene的氧化. Iqbal等［51］探究了退火對(duì)MXene電磁屏蔽性能的影響，選用Ti3CNTx與Ti3C2Tx進(jìn)行比較，發(fā)現(xiàn)經(jīng)過退火處理后兩者表面的—OH含量均降低，而Ti3CNTx更容易被氧化生成TiO2，且其孔容和孔徑也更大. 隨著退火溫度升高，MXene層間距減小，孔徑和孔容增大，對(duì)于Ti3CNTx，其在退火后反射損耗（SER）沒有增強(qiáng)，但是吸收損耗（SEA）顯著增強(qiáng)，導(dǎo)致總屏蔽效能（SET）增強(qiáng)，另外，得益于導(dǎo)電率增加、孔徑增大和偶極子的極化損耗，經(jīng)過350 ℃退火6 h后，厚度為40 μm的Ti3CNTx膜的電磁干擾屏蔽效能（EMI SE）值高達(dá)116 dB.

Fig.7 Schematic diagram of the MXene/PDAC coating(A), digital images of MXene coated on different surfaces(B)and terrain sensor test(C)[46]

Fig.8 Preparation and characterization of Ni modified MXene[49]

2.2.4 光熱領(lǐng)域 Li等［52］對(duì)MXene超快動(dòng)力學(xué)方面的研究為其光熱效應(yīng)提供了理論依據(jù). 他們探究了MXene在水和乙醇中的能量耗散情況，發(fā)現(xiàn)在水中，能量耗散分為快速氫鍵介導(dǎo)的通道和緩慢晶格運(yùn)動(dòng)介導(dǎo)的通道，MXene從光激發(fā)中獲得的能量幾乎80%都通過氫鍵介導(dǎo)的快速通道在7 ps內(nèi)迅速消散到周圍的水分子中，剩余的能量通過晶格運(yùn)動(dòng)介導(dǎo)的慢通道于100 ps 內(nèi)消耗殆盡. 以上結(jié)果表明MXene表面基團(tuán)形成的氫鍵在能量快速遷移過程中起著十分重要的作用. MXene的光熱效應(yīng)可以應(yīng)用在海水淡化領(lǐng)域，但是在水蒸發(fā)的過程中，難免會(huì)有部分鹽類隨著水蒸氣一同上升，造成材料輸水通道的堵塞，從而降低裝置的海水淡化效率. 為此，Zhao 等［53］采用氟基硅烷（PFDTMS）與MXene 通過醚鍵接枝進(jìn)行疏水改性，并真空抽濾制備成膜［圖9（A）和（B）］. 由于彎曲的納米片不可壓縮的堆疊使其表面褶皺消失，進(jìn)而導(dǎo)致層間距擴(kuò)大，同時(shí)由于引入了較長(zhǎng)的烷基鏈，減小了膜的光反射率，提升了其光吸收能力. 此外，改性后MXene表面疏水性的—CF3可以阻隔鹽分，僅允許水蒸氣從膜間隙中逸出.在生物醫(yī)療方向，Liu 等［54］將化療劑阿霉素和活性腫瘤靶向劑透明質(zhì)酸通過靜電作用逐層吸附與MXene進(jìn)行復(fù)合制備了集化療和理療于一體的腫瘤治療平臺(tái)［圖9（C）］，通過阿霉素修飾針對(duì)腫瘤細(xì)胞進(jìn)行藥物治療，同時(shí)在刻蝕插層時(shí)加入Al3+使其在MXene表面形成A增強(qiáng)局部的表面等離子體共振效應(yīng)，提升光熱轉(zhuǎn)化效率，從而優(yōu)化理療效果. Bai等［55］利用逐層吸附將二甲雙胍和復(fù)合多糖修飾在MXene上，其中復(fù)合多糖作為殼層避免了MXene在腫瘤位點(diǎn)的團(tuán)聚并提升了其生物相容性，激活了宿主的免疫功能，同時(shí)在MXene 制備過程中形成的A具有較強(qiáng)的近紅外吸收能力（消光系數(shù)36.2 L·g?1·cm?1）和較高的光熱轉(zhuǎn)換效率，可以提升整體光熱治療效果.

2.2.5 其它領(lǐng)域 除了以上應(yīng)用領(lǐng)域外，Mu 等［56］采用NaOH 對(duì)MXene 進(jìn)行插層處理，用于核廢水中Ba2+的吸附. 堿處理可以有效防止或減少M(fèi)Xene 在空氣中的氧化，同時(shí)使得其表面的—F 被—OH 取代，增加表面負(fù)電荷，提供更多吸附位點(diǎn)，利用Na+與MXene之間的強(qiáng)相互作用以及離子交換機(jī)制，將Ba2+牢牢吸附在MXene 表面. 由吸附動(dòng)力學(xué)和熱力學(xué)分析可知，其吸附過程為化學(xué)吸附，并且是單層吸附，最大吸附容量為46.46 mg/g. Sliozberg 等［57］通過煅燒處理將MXene 表面的—OH 轉(zhuǎn)換為=O（圖10），使得MXene與雙酚A二縮水甘油醚（DGEBA）樹脂之間的靜電作用增強(qiáng)，界面結(jié)合強(qiáng)度提升，從而優(yōu)化了其力學(xué)性能.

Fig.10 Representative snapshot of DFT simulation of Ti3C2Tx?DGEBA interface(A),representative snapshot from coarse?grained MD simulation(B), TEM image of Ti3C2Tx?epoxy nanocom?posite(C), SEM images of 1%(mass fraction) Ti3C2Tx MXene nanocomposite fracture surface, backscatter electron(D), electron(E) images of MXene particles protruding from sample surface at break[57]

Liu 等［58］對(duì)MXene 刻蝕后，用大量水沖洗將其表面的—F 替換為—OH，再用酸處理將碳纖維功能化，利用兩者的羥基和羧基形成化學(xué)結(jié)合，進(jìn)而與環(huán)氧樹脂反應(yīng)，提升碳纖維與環(huán)氧樹脂的界面相容性，此外，MXene 表面褶皺的微結(jié)構(gòu)也起到了界面互鎖效應(yīng)，進(jìn)一步增強(qiáng)了界面結(jié)合強(qiáng)度. Zhao等［59］利用靜電作用將正電性的聚苯乙烯（PS）接枝到MXene 一側(cè)表面，通過界面自組裝制備了雙親性的Janus膜或水凝膠，經(jīng)過界面調(diào)控后避免了MXene的氧化，也提高了界面活性. Paul等［60］探究了Ti2C與石墨烯復(fù)合時(shí)的界面性能. Ti2C 中的Ti 原子與石墨烯的C 原子形成共價(jià)鍵，改變了石墨烯的電子結(jié)構(gòu)，使石墨烯顯示出非磁性半金屬特性，同時(shí)也使Ti2C成為鐵磁性金屬，而非A型鐵磁半導(dǎo)體，并且頂層Ti原子的淬滅程度很大程度上依賴Ti2C與石墨烯的界面堆積構(gòu)型. Petukhov等［61］探究了MXene在不同pH值下的電荷情況以及雙親性. MXene的雙親性歸因于片狀邊緣存在的含氧端基以及基面上具有大面積的疏水性網(wǎng)絡(luò)，而其雙親性及低Zeta電位值為MXene納米片在水-空氣界面自組裝成膜提供基礎(chǔ). 當(dāng)體系的pH值發(fā)生改變時(shí)，MXene的Zeta電位從pH=6～12時(shí)的?60 mV提升到pH＜4時(shí)的+25 mV，表明Ti3C2在酸性條件下發(fā)生質(zhì)子化. Ti3C2在堿性和中性介質(zhì)中可自組裝成膜，但速率較慢，可通過加入陽(yáng)離子的方式在酸性介質(zhì)中較快地自組裝成膜，亞相的MXene覆蓋率高達(dá)96%.

3 復(fù)合材料中MXenes的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

除了界面調(diào)控以外，MXenes 自身的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)及其在復(fù)合材料中的結(jié)構(gòu)調(diào)整也不可或缺. MXenes可以以零維（量子點(diǎn)）、二維（納米片）和三維（多層塊狀結(jié)構(gòu)）形式存在，并進(jìn)一步與其它材料復(fù)合形成墨水、纖維、膜、水凝膠、氣凝膠、微球和泡沫等結(jié)構(gòu)（圖11）. 因此，通過對(duì)MXenes結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)可以滿足不同性能和領(lǐng)域的需要.

Fig.11 Structure design of MXenes in composite materials

3.1 MXenes自身的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

MXenes的結(jié)構(gòu)對(duì)于復(fù)合材料的性能起到基礎(chǔ)性作用. MXenes的電子結(jié)構(gòu)、表面結(jié)構(gòu)和層間距會(huì)影響電子的遷移速度和路徑、電阻、阻抗等，進(jìn)而影響復(fù)合材料在電學(xué)儲(chǔ)能、電磁屏蔽、壓力傳感和光催化等領(lǐng)域的應(yīng)用性能.

對(duì)于MXenes自身結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)，最常用的方法就是對(duì)MXenes進(jìn)行摻雜或者元素替換. Feng等［62］利用DFT 計(jì)算了Ti2CO2中Ti 被Sc 或V 取代，C被B或N 取代的結(jié)構(gòu)變化以及力學(xué)和電子性質(zhì)，發(fā)現(xiàn)在結(jié)構(gòu)方面，C被B或N取代對(duì)晶格參數(shù)影響不大，但是被B取代后層厚度增加；Ti被V或Sc取代時(shí)，V會(huì)減少單層的摩爾體積，Sc 會(huì)減小層厚度；在力學(xué)方面，（Ti0.25V0.75）2CO2的機(jī)械強(qiáng)度最高，（Ti0.125Sc0.875）CO2則最低；在電子性質(zhì)方面，通過用Sc取代Ti比用B取代C更容易得到p型的Ti2CO2，而用高合金化N取代C和V取代Ti都有可能得到n型半導(dǎo)體. Sun等［63］利用N和S對(duì)Ti3C2Tx進(jìn)行共摻雜，發(fā)現(xiàn)摻雜后的Ti3C2Tx層間距增大，抑制了Ti3C2Tx的堆積，同時(shí)在Ti3C2Tx的表面產(chǎn)生新的儲(chǔ)能位點(diǎn)，從而引入了贗電容效應(yīng)，改善離子傳輸效率，提高了Ti3C2Tx的導(dǎo)電率和比電容. 表面沉積化學(xué)物質(zhì)也是改變MXenes電子結(jié)構(gòu)的一種途徑. Yang 等［64］基于金屬載體強(qiáng)相互作用（SMSI）在V2C 表面沉積了一層過渡金屬原子（Ni，Pd，Pt，Cu，Ag，Au），并探究了表面過渡金屬原子沉積對(duì)V2C 氧化還原反應(yīng)（ORR）活性的影響.結(jié)果表明，Pt/V2C展示了最高的活性，過電位降至0.38 V，最大勢(shì)壘為0.48 eV. 這種優(yōu)異的催化性能源于SMSI對(duì)V2C的電子結(jié)構(gòu)進(jìn)行了修飾，即電子從V2C轉(zhuǎn)移到Pt，導(dǎo)致Pt能帶中心的下移，最終增強(qiáng)了其ORR催化活性. 另外，通過在MXenes表面造孔也會(huì)對(duì)材料的應(yīng)用性能帶來一定影響. Tang等［65］利用陽(yáng)極氧化來控制MXene的氧化程度，進(jìn)而改變MXene的層間距和調(diào)整表面孔徑大小. 實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，對(duì)MXene 進(jìn)行部分氧化后，MXene 層間距增大，片層變得粗糙有孔，有利于電解液離子在層間的擴(kuò)散，但充分氧化會(huì)導(dǎo)致MXene結(jié)構(gòu)被嚴(yán)重破壞，進(jìn)而使得電化學(xué)性能急劇下降.

3.2 MXenes在復(fù)合材料中結(jié)構(gòu)形態(tài)的優(yōu)化設(shè)計(jì)

3.2.1 零維結(jié)構(gòu) MXenes的零維結(jié)構(gòu)主要是基于MXene量子點(diǎn)（MQDs）形式，通過水熱方法將二維的納米片重構(gòu)為零維MQDs. 量子點(diǎn)因其獨(dú)特的量子效應(yīng)（尺寸效應(yīng)、隧穿效應(yīng)、表面效應(yīng)等）而備受關(guān)注. MQDs目前主要應(yīng)用在光熱治療、光催化、光致發(fā)光和鈣鈦礦電池等領(lǐng)域.

Xu 等［66］用硝酸恒溫加熱MXene 納米片得到MQDs，再用乙二胺作為氮源通過水熱法進(jìn)行N 摻雜，使N 原子與MQDs 通過C—N 和C=N 化學(xué)鍵相連，所制備的N 摻雜MQDs 依然保持二維層狀結(jié)構(gòu)［圖12（A）和（B）］，其光致發(fā)光效率高達(dá)18.7%. 以此法制備的金屬離子探針檢測(cè)Fe3+，最低檢測(cè)濃度為100 μmol/L. Rafieerad等［67］將MXene納米片用水熱法直接制備成MQDs，其具有免疫調(diào)節(jié)特性，可以支持干細(xì)胞的存活與增殖，進(jìn)而用于人體免疫調(diào)節(jié)和再生醫(yī)學(xué). 此外，其還可以與殼聚糖水凝膠復(fù)合，賦予其在形狀記憶、自修復(fù)、可注射等方面的性能. Tang等［68］利用水熱法制備了具有Janus特性的Co摻雜MQDs（Janus Co-MQDs）［圖13（A）］，該Janus Co-MQDs 作為肖特基催化劑可用于高性能的光電化學(xué)水氧化，Co的引入增加了可見光捕獲的能力，提高了這一過程的表面反應(yīng)動(dòng)力學(xué)，并且提升了光生載流子分離和注入效率. Pandey 等［69］制備了CsPbBr3-Ti3C2Tx量子點(diǎn)異質(zhì)結(jié)，該異質(zhì)結(jié)具有強(qiáng)穩(wěn)態(tài)光致發(fā)光猝滅現(xiàn)象和較高的電子轉(zhuǎn)移能力，同時(shí)還可以作為光檢測(cè)裝置的光致發(fā)光探針用于鎘檢測(cè)［圖13（B）］. Gu等［70］制備了Nb2C和Ti3C2量子點(diǎn)，通過對(duì)人臍靜脈內(nèi)皮細(xì)胞進(jìn)行毒理實(shí)驗(yàn)對(duì)比了二者的生理毒性，結(jié)果顯示Nb2C量子點(diǎn)的生物相容性更好.

Fig.12 TEM(A)and HRTEM(B)images of N?MQDS(160 ℃)[66],TEM images of a hollow Ti3C2Tx sphere(C) and its wall MXene layers(D)[74], SEM(E, F) and TEM(G, H) images of CTAB?Sn(Ⅳ)@Ti3C2[79]

Fig.13 Schematic diagram of the synthesis process of Janus structured Co?MQD(A)[68]and schematic repre?sentation of the synthesis of the CsPbBr3?Ti3C2Tx composite(in anhydrous toluene)(B)[69]

除了基于MQDs本體形式的應(yīng)用外，還可以將其與其它2D、3D材料復(fù)合使用. Wang等［71］將MQDs自組裝到SiC納米片表面，通過構(gòu)筑異質(zhì)結(jié)來提升可見光催化性能，增強(qiáng)對(duì)NO污染物的去除能力. 結(jié)果表明，組裝產(chǎn)物對(duì)NO 的去除率可達(dá)到74.6%，分別是MQDs 和SiC 的3.1 倍和3.7 倍. Chen 等［72］將MQDs 負(fù)載到介孔TiO2上作為鈣鈦礦電池的活性層，發(fā)現(xiàn)MQDs 的負(fù)載加強(qiáng)了電子從鈣鈦礦吸收體向介孔TiO2的萃取和注入，并且通過鈍化電荷復(fù)合中心，增加了鈣鈦礦的結(jié)晶尺寸和電導(dǎo)率，降低了晶界和本征缺陷密度，從而促進(jìn)了載流子的分離和輸運(yùn).

3.2.2 二維結(jié)構(gòu) MXenes 二維結(jié)構(gòu)主要是基于MXenes 納米片的形式，通過化學(xué)鍵合、氫鍵作用、靜電作用等方式制備成微球、膜、凝膠等復(fù)合結(jié)構(gòu). Shahazd等［73］將MXene與海藻酸鈉共混，采用CaCl2凝固浴進(jìn)行Ca2+交聯(lián)制備出核殼結(jié)構(gòu)微球. 該微球由于具有獨(dú)特的內(nèi)部結(jié)構(gòu)、高孔隙率、大的比表面積、豐富的氧化官能團(tuán)和活性位點(diǎn)，對(duì)Hg2+的最大吸附量可達(dá)932.84 mg/g. Zhao等［74］利用MXene與聚甲基丙烯酸甲酯（PMMA）表面羥基的相互作用，將MXene納米片包覆在PMMA微球表面，通過犧牲模板法制備了空心MXene微球，再通過過濾煅燒成膜［圖12（C）和（D）］. 該膜在電子顯微鏡下呈透明狀，證明已去除內(nèi)部PMMA微球；該膜還具有柔性和高導(dǎo)電率，可用于Na+儲(chǔ)能領(lǐng)域. Zhu等［47］利用局部熱量將MXene 部分氧化為TiO2附著在其表面，增大了材料比表面積，有利于進(jìn)一步提升化學(xué)檢測(cè)的敏感性.Han等［75］通過雙向冷凍鑄造法制備了一系列各向異性的MXene（Ti3C2Tx，Ti2CTx，Ti3CNTx）氣凝膠用于電磁屏蔽（圖14）. 結(jié)果表明，隨著MXenes添加量的增多，氣凝膠內(nèi)部逐漸形成連貫的三維網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，相比于無定向的冷凍干燥方法，該方法制備的氣凝膠具有更優(yōu)異的力學(xué)性能. Liao等［76］制備了MXene復(fù)合有機(jī)水凝膠用于柔性傳感器，聚乙二醇的加入使得該水凝膠具有較強(qiáng)的耐候性和長(zhǎng)期保水性能，可以在?40 ℃下具有抗冷凍能力，在低溫下其應(yīng)變系數(shù)高達(dá)44.85，同時(shí)還具有自愈合能力.

Fig.14 Schematic illustration of bidirectional freeze?casting mechanism(a), and the aligned lamellar struc?ture with interconnected bridges(b) of MXene aerogels assembled from different kinds of MXene flakes(Ti2CTx, Ti3C2Tx, and Ti3CNTx)(A), with the increase of mxene concentration, a continuous three?dimensional network structure is gradually formed(B—H)[75]

3.2.3 三維結(jié)構(gòu) 三維多層MXenes 的設(shè)計(jì)主要在于層間距的調(diào)控，利用各種插層劑對(duì)其進(jìn)行插層.目前常見的MXenes 插層劑有陽(yáng)離子［77］（Na+，K+，Li+，Mg2+，Cs2+等）、有機(jī)分子［78］（DMSO，DMF，TBAOH，TMAOH 等）和芳基重氮鹽［43］等. Luo 等［79］用CTAB 和Sn4+對(duì)多層MXene 進(jìn)行插層，先用CTAB預(yù)處理橋連相鄰兩層MXene片，起到柱撐作用以擴(kuò)大層間距，隨后再利用Sn4+插層，與CTAB協(xié)同形成柱撐結(jié)構(gòu)，用于制備鋰離子電池陰極［圖12（E）～（H）］. Li等［80］詳細(xì)討論了插層離子對(duì)電化學(xué)性能的影響：插層離子通過與MXenes 表面的官能團(tuán)反應(yīng)來實(shí)現(xiàn)儲(chǔ)能；另外在插層過程中，插層離子會(huì)影響到MXenes 的電子結(jié)構(gòu)，進(jìn)而會(huì)影響到MXenes 的物理或化學(xué)性質(zhì)，如電致變色性質(zhì)和儲(chǔ)能性能等. 總體來說，相比原始的MXene，插層后的MXene層間距增大，比表面積提升，有更多活性位點(diǎn)暴露出來，從而有利于離子傳輸和儲(chǔ)能容量的提高，對(duì)于提升微波吸收能力、增強(qiáng)壓力傳感靈敏度和擴(kuò)大檢測(cè)范圍等有較大幫助.

4 總結(jié)與展望

通過對(duì)MXenes的結(jié)構(gòu)和性質(zhì)的充分了解，可以認(rèn)識(shí)到MXenes的優(yōu)勢(shì)以及可應(yīng)用的領(lǐng)域，同時(shí)為其界面調(diào)控和結(jié)構(gòu)優(yōu)化打下理論基礎(chǔ). 可通過刻蝕、插層等方法在MXenes表面形成豐富的官能團(tuán)，并經(jīng)由不同的物理化學(xué)手段進(jìn)行調(diào)控（官能團(tuán)去除或替換、摻雜、接枝等）來進(jìn)一步提升MXenes復(fù)合材料的性能. 在此基礎(chǔ)上，對(duì)MXenes在復(fù)合材料中的結(jié)構(gòu)進(jìn)行優(yōu)化，以提高復(fù)合材料的結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性和界面結(jié)合強(qiáng)度，可進(jìn)一步提升其使用性能. 通過對(duì)相關(guān)研究工作的總結(jié)可知，MXenes經(jīng)過改性和結(jié)構(gòu)優(yōu)化后，電化學(xué)、光熱、微波吸收、親疏水等特性均大幅提升，但仍存在一些問題. 首先，對(duì)于其結(jié)構(gòu)和應(yīng)用性質(zhì)，要繼續(xù)探索不同結(jié)構(gòu)對(duì)于MXenes性能（電化學(xué)、光熱、浸潤(rùn)性等）的影響和不同制備方法對(duì)其結(jié)構(gòu)和性質(zhì)的影響. 另外，探索MXenes的性質(zhì)如摩擦性、黏附性、光熱轉(zhuǎn)換性質(zhì)等，有利于拓展其應(yīng)用領(lǐng)域. 其次，對(duì)于界面調(diào)控，大部分復(fù)合材料的界面是通過物理相互作用（氫鍵、范德華力等）連接的，力學(xué)性能較差. 為了提升其綜合性能，需要進(jìn)一步探索化學(xué)鍵合作用的調(diào)控. 再次，可以通過對(duì)MXenes 表面的化學(xué)調(diào)控來提升MXenes 的熱穩(wěn)定性、化學(xué)穩(wěn)定性以及抗氧化性能. 最后，對(duì)于結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，目前主要是對(duì)MXenes二維納米片結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)以及二維、三維復(fù)合結(jié)構(gòu)的研究，需要在現(xiàn)有的基礎(chǔ)上探索MXenes對(duì)復(fù)合材料性能的影響機(jī)制，從而有利于加深其性能的理解和調(diào)控.