材料人報告|MXene材料國內外研究情況調研

一.MXene材料簡介

MXene材料是一類具有二維層狀結構的金屬碳化物和金屬氮化物材料，其外形類似于片片相疊的薯片。MXene材料的化學式為M_n+1AX_n, 其中(n = 1–3)，M代表早期過渡金屬，比如Sc、Ti、Zr、V、Nb、Cr或者Mo；A通常代表第三主族和第四主族化學元素；X代表C或N元素。

目前該類材料已在多個領域（如能源、光學、催化等）引發了全世界的關注。第一個MXene成員在2011年首次被美國德雷塞爾（Drexel）大學尤里·高果奇教授（Professor Yury Gogotsi）和Michel Barsoum共同指導由博士生Michael Naguib制備得到。Yury Gogotsi教授是美國德雷克塞爾大學杰出教授、納米技術研究所所長，是世界著名材料專家、ACS Nano雜志副主編、碳素材料和陶瓷材料技術領域的國際知名學者。多年來，Yury Gogotsi教授帶領研究團隊在碳材料領域開展了深入系統的研究，采用先進方法獲得了新穎的碳納米管、介孔碳、洋蔥碳以及石墨烯等多種碳材料，并探索了它們在鋰離子電池、電化學電容器中的應用，取得了一系列重要的研究成果。他在國際上率先將層狀陶瓷（MAX相）剝離為二維材料（MAXene，如二維過渡金屬碳化物或碳氮化物）。近年來，Yury Gogotsi教授承擔了美國國防部、能源部以及國家自然科學基金的許多重要科研項目。目前已發表450余篇學術論文，其中在Science、Nature及其子刊發表論文超過25篇，Science、Nature及Nature系列、Adv Mater等著名期刊上發表論文超過400篇，被引用次數超過21000次，并與人合著2本著作，參與了13本書的編著。其研究成果得到了同行專家的高度評價，先后獲得美國、歐洲、中國等多個國家40余項學術獎勵，他曾獲得包括“European Carbon Association Award”、“Highly Cited Researcher”在內的多個國際獎項及榮譽，2014年被Thomson Reuters評為“世界最有影響力的科學家”。

說起第一個MXene成果，最初是由Michael的導師 Barsoum在探討儲能項目而找到Yury聯合指導。MXene的發現離不開Dr. Barsoum，沒有他的話很多原料是出不來的，那么很多種MXene也就無法被發明。

材料人曾采訪過Yury Gogotsi，如有興趣可以移步：MXene誕生記

二.MXene發文數據分析

小編根據Web of Science數據對MXene材料相關論文進行了統計，截至2018年的近十年發文數量達到542篇，下面小編從年份、領域等幾個不同方面為大家分析。

1、不同年份發文情況

由圖可以看出，該材料領域在2012年以前未有報道，2011年首次發現制備得到，但在報道之后，引起了巨大關注，近五年發文數量呈現逐年上升的趨勢，目前該類材料已在多個材料研究領域（如能源、光學、催化等）引發了全世界的關注。

2、不同作者、機構發文情況

從發文作者以及研究機構單位數據圖可以看出，MXene材料領域的研究以德雷塞爾大學的研究為主導，其中Yury Gogotsi、Barsoum Michel W以及趙夢強等研究人員均來自德雷塞爾大學，Yury Gogotsi教授從2007年開始到2016年這十年間發表超過百篇文章，其中包括論文、綜述、專著等多種形式；國內的主要研究機構有中國科學院寧波材料研究所、河南理工大學、陜西科技大學以及燕山大學等，其中周愛國教授、王李波教授等均來自河南理工大學，為國內研究MXene材料做出了顯著的成績。其中，以Yury Gogotsi教授的文章為主，受到了世界范圍研究者們的關注，他的高引用文章數多達26篇，同時德雷塞爾大學多位研究者的工作合計有超過50篇為高被引文章，說明了他們的MXene領域領頭羊的地位，另一方面，也是世界各地MXene領域科研人員對德雷塞爾大學相關研究者研究工作的一種認可。

3、不同期刊發文情況

上表統計了幾種影響因子和行業內知名度較高的幾種期刊發文情況，可以看到，近年間MXene材料發表高質量文章的數量還是很可觀的，在材料領域的高水平期刊Advanced Materials、ACS Nano、Nano Energy等期刊發表文章數超過50余篇，說明MXene材料的研究正處于較高水平的快速發展中，其研究的可行性也逐漸得到了認可；另外，在多種應用領域的頻繁發文也說明了MXene材料越來越受到各領域的重視，其應用也愈加廣泛。這種新型材料的研究與應用方興未艾！

4、國際公開專利發表情況

小編根據WIPO數據對MXene材料的相關專利發表情況進行了統計，截至2018年發表專利數量達到了78篇，下面小編從年份、研究機構分布等不同方面為大家分析。

由上圖可以看出，該材料領域在2014年以前未有專利申請，但在報道之后，引起了巨大關注，近幾年發表專利數量呈現逐年上升的趨勢。從發表專利作者以及研究機構單位統計表可以看出，發表MXene材料領域專利的研究人員，在國內以陜西科技大學研究學者們為主導，其中朱建峰、楊晨輝以及王芬等研究人員均來自陜西科技大學，專利研究方向包括吸波復合材料、低溫制備復合材料、鋰離子電池負極材料等；國外來說，美國德雷塞爾大學的Yury Gogotsi、Barsoum Michel W以及Ghidiu Michael J 教授等人發表多篇相關專利，為MXene材料的實際應用做出巨大貢獻。

三.MXene高被引文章

四.MXene文章薦讀

1. Synthesis and Electrochemical Properties of Two-Dimensional Hafnium Carbide.

(ACS Nano , 2017, DOI: 10.1021/acsnano.7b00030)

MXenes的制備主要是通過HF酸，NH₄HF₂溶液，LiF及HCl混合溶液及低共熔混合鹽介質中對A位為Al的MAX相材料中的Al原子選擇性刻蝕而得到。由于過渡金屬Zr及Hf難以形成A位為Al的MAX相，因此，截止目前，關于Zr系及Hf 系的MXenes材料仍未見報道。相比于Zr系材料，Hf系層狀碳化物更難獲得單一的物相，研究人員基于固溶法調諧單胞內亞層的思路，在Al位引入少量Si，采用SPS方法合成了新型固溶體材料，以此固溶體為前驅體，以HF酸為蝕刻劑，實現了對Al(Si)-C結構單元的選擇性剝離，首次獲得了Hf系二維MXenes材料；借助結合能和原子電荷計算分析，闡明了Si摻雜促進氫氟酸剝離過程的微觀機制。Hf系新穎二維碳化物材料在儲能、吸波和光電器件上有著潛在的應用，高體積比容量材料有望應用于發可應用于空間飛行器、移動裝備等小型化供能系統中。

2、Ultra-high-rate pseudocapacitive energy storage in two-dimensional transition metal carbides.(Nature Energy, 2017,DOI:10.1038/nenergy.2017.105)

文章證明了二維過渡金屬碳化物（MXenes）在超越傳統雙電層電容器的掃速下仍能提供比碳、導電聚合物或者過渡金屬氧化物更高的體積和面積電容。研究者們證實了不同電極設計策略會影響Mxene的電容接近理論電壓窗口，同時也表明擴展的電壓窗口不僅在玻璃碳中，其他集流體的使用也可以得到同樣的結果。大孔電極結構在充放電速率高達1V/s時仍能保留優異的電容值，其結果超越現有所報道的碳材料超級電容器數值。水凝膠電極顯示出高達1500F/cm³的體積電容和4F/cm²的面積電容。該研究表明贗電容材料在超過10V/s的掃速下仍能保持優異性能，可以作為能量收集和存儲器件使用，并且有可能實現復合材料和結構的優化，為電化學能量收集，轉換和存儲領域獲取更多的新機會。

3、MXene molecular sieving membranes for highly efficient gas separation.

（Nat. Commun.，2017，DOI: 10.1038/s41467-017-02529-6）

介紹了一種具有高度有序的亞納米通道二維層狀分子篩膜MXene，利用MXene納米片表面豐富且分布均勻的末端基團支撐形成高度有序的二維層狀納米孔道，實現快速、精準的氣體分離能力：H2滲透通量達到2200 Barrer，H₂/CO₂的分離選擇性達到160；并利用分子動力學定量模擬驗證實驗結果. 將具有二維結構和物理化學性質可調的MXene二維材料開發為新型分子篩膜為膜分離領域提供了激動人心的機會。現在已經有30多類MXenes材料可以使用，并且還有幾十個MXenes可以制備出來，這為進一步提高其分離性能提供了很大的空間。本文研發的MXene膜對于氣體的分離是十分重要的，例如甲醇重整過程中的H₂凈化，零排放化石燃料發電過程中CO₂捕集，氨生產中H₂回收等。此外，文章還展示了關于二維分子篩膜結構設計的新概念，即：采用高度有序的二維納米通道，可以實現快速、精確的分子篩分，突破trade-off限制，提高分離效率。

本文由材料人編輯部報告組Jane撰稿，箜小天等審核整理。

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