這種虛歲為十的材料，會是下一個新興熱點前沿嗎？

一、導讀

2011年，國際材料領域權威期刊ADVANCED MATERIALS發表了一篇關于Ti₃AlC₂二維材料的文章。九年過去了，以Ti₃AlC₂為代表的MXene材料家族愈發枝繁葉茂，這是一種何等有趣的材料？今天我們一探究竟。

MXene是一類二維無機化合物，其通式為M_n+1X_nT_x(n=1-3)，其中M是前過渡金屬（筆者注：很多新聞報道將其譯成“早期過渡金屬”，這種譯法并不科學。），X是碳和/或氮，T是MXene的表面官能團（通常為-O，-OH和-F）（Adv.Mater.,2014,26,992）。MXene具有過渡金屬碳化物的高金屬導電性，并且由于其羥基和氧封端的表面而具有親水性，一般認為這與其他2D材料不同，如石墨烯。（筆者注：關于石墨烯的親疏水仍有爭議，這主要和樣品的完美程度有關系，因此這句話應該理解為MXene天然自帶基團會比較準確。）

MXene于2011年由美國德雷塞爾大學首次發現（Adv. Mater.,2011, 23,4248），即塊狀三元過渡金屬碳化物和氮化物（稱為MAX相）選擇性的蝕刻出了A層，從而產生了多層的MXene。為了增加表面積和其表面的可及性，通常對多層MXene進行進一步處理以產生脫層的MXene溶液。

綜上，MXene是母相MAX(M_n+1AX_n,A= IIIA 或 IVA族元素)經過選擇性刻蝕掉A層得到的二維層狀材料。

由于母相MAX家族龐大，因此，這一二維家族的誕生勢必會帶來一系列圍繞MXene系的研究熱潮。此外，MXene天生具有獨特的結構優勢，即導電“粘土”、二維“金屬”和親水性石墨烯（MAX之父-Michel W. Barsoum教授的論述），可謂像霧像雨又像風，陶瓷界的金屬，金屬界的陶瓷！

在本文開始前，請大家記住MXene體系的開創者，來自美國德雷塞爾大學的團隊：

二、MXene十歲之發現之旅（2011-2020）

圖2.1 MXene的分學科發表量

根據學科屬性進行分析（圖2.1），MXene的研究論文主要來自材料綜合學科，物理化學、納米科技、化學綜合以及應用物理也各自占有不小的比重。對于這樣一個發現時間不長的子領域來說，前期的研究主要以材料體系的合成、表征和基本性質探索為主，而這五個學科恰好構建了完整的鏈條。而更為基礎的凝聚態物理研究則剛剛起步，對其背后的物理機制、結構起源等研究不深；此外，這一系列材料在能源和電化學、催化等領域的探索性研究也處在起步階段，大部分工作是近幾年逐步開展的。因此，從學科的角度看，目前進入這一領域做出一些探索性的初期補足工作，還是較容易發表的，亟待更加深入的機理性、基礎性工作的加入。

圖2.2 MXene的發表年度曲線圖

縱觀這九年來的發表量（圖2.2），呈現出非常有趣的現象。整體趨勢可以分為三個階段，初期前三年的發表量很少；隨后的三年有一定的增長，且處于穩定的增長類型；而近三年來，發表量呈現近乎線性的陡峭增長，即使在2020年這樣一個不尋常的年份，發表量依舊驚人的達到了1400篇左右。總體來看，這一研究領域呈現出快速增長的良好態勢，預示著未來幾年極有可能成為下一個“熱點前沿”，并具備成為“新興前沿”的實力。

不過，細心的讀者可能會犯嘀咕，不是2011年底最早報道的嗎，怎么最早的研究是2012？這個問題的答案詳見文末。

圖2.3 MXene的國家和地區發表量

在國家和地區發表量層面（圖2.3），中國大陸毫無懸念的又問鼎最大體量，并且達到驚人的70%的占比，而美國盡管位居第二，但總量僅占第一位總量的不到三成。只有五個國家的發表量達到了100篇，顯然，很多國家和地區并沒有投入大量精力進入這一領域。隨著未來MXene的發展與推進，應該會有一定的改觀。

圖2.4 MXene發文量前十期刊

下面，我們來看看哪些期刊比較青睞MXene，如圖2.4所示，ACS AMI、JMCA和ACS NANO占據前三，這三大期刊本身也是國內學者比較愿意投稿的期刊，這與我們總發文量第一的數據比較吻合。可見，側重能源的JMCA占據了前述論文發表學科里能源學科總發文量的較大比重；值得一提的是，兩大材料領域權威期刊AM和AFM均位列發文量前十，這和我們之前對石墨烯、儲能陶瓷等領域的分析不同，這兩大材料領域重要的綜合性期刊并未占有較大的發文量。因此，這兩大頂級刊物的編輯對MXene比較偏愛，有比較有趣的新成果可以嘗試這兩大期刊，畢竟首篇開創性成果就發表在AM上。

三、MXene論文引證科學分析

圖3.1 MXene論文的國際合作

論文引證角度而言，中國大陸和亞洲及鄰近的國家和地區合作緊密度大于美國，而美國和歐洲的合作更為緊密。當然，中美之間的合作發表體量也不小，這部分取決于總的發文量。圖3.1中，我們發現新加坡和韓國似乎和中國沒有太多的合作關系。

圖3.2 MXene論文的機構合作

圖3.2揭示了發文數量較多的機構間的合作關系，中科院為主要貢獻機構，其合作朋友圈主要是國內的機構，而吉林大學和美國德雷賽爾大學之間的合作關系很突出。這是因為吉林大學于2016年引進了MXene的創始團隊帶頭人Yury Gogotsi（尤里-高果奇）教授，隨后的2018年，第一屆MXenes儲能材料國際學術研討會也在吉林大學舉辦。此外，第二、三屆國際二維過渡金屬碳化物（MXene）學術研討會也都在中國召開，分別由北京化工大學和中國科學院寧波材料技術與工程研究所舉辦。

圖3.3 MXene論文中的核心關鍵詞

最后，我們選取了MXene論文中的關鍵詞，從圖3.3的密度圖可以看出，除了核心關鍵詞MXene和nanosheets、exfoliation以及titanium carbide以外，其他關于性能和材料類型的關鍵詞分布很分散，沒有形成重要的研究集群。因此，這一領域經過九年發展，依舊在摸索中前行，MXene獨有的、不可替代的性質，物理起源、剝離的化學機制等核心問題尚未得到解決，這是未來亟需進行突破的研究點。

四、MXene重要成果簡介

圖4.1 MXene開篇論文

本文最后，我們簡單看看幾篇重要的工作，圖4.1是MXene首次合成的開篇論文。大家可以看到，其摘要簡短精干，兩句話直接把合成策略和未來前景高度概括，這樣的摘要，編輯和審稿人看到絕對會有想繼續了解的期待。回答了這項成果怎么做？得到了什么？以及能引領什么的基本問題。不過，如果我們在web of science里檢索主題詞mxene時，并不能搜到這篇文章，因為其摘要和關鍵詞都沒有mxene。這個詞是在論文正文中引出的。

這提醒我們，單單從索引數據庫找最新文獻可能會存在查不全的問題。特別是那些比較新的概念，作者可能沒有直接將后來廣為使用的某些詞作為關鍵詞，石墨烯的早期發現也是如此。根據筆者的經驗，最好的捕捉最新成果的辦法就是及時訂閱最新的進展推送，主流領域和綜合期刊都覆蓋到，才有可能早早的看到研究機遇。

圖4.2 MXene合成指南

最后，我想給大家分享這篇合成指南性質的工作（圖4.2），畢竟對一個比較新的領域，特別是材料科學，合成是不可能逃過去的必修課。創始團隊的合成思路和指南性講解有助于初入行者抓住一些關鍵因素，并能從中找到自己的興趣點和問題。這篇發表在CM上的文章還附帶了合成的實操視頻（圖4.3），作為本文的最后彩蛋供大家學習。

圖4.3 ?MXene合成指南視頻

（掃描二維碼觀看視頻！）

有道是，

MXene脫胎MAX之精髓，

?像霧像雨又像風；

導電黏土帶流量，

交叉發散悟新機。

PS：記得掃描看原文，學合成！

本文由Free-Writon供稿。

本內容為作者獨立觀點，不代表材料人網立場。

未經允許不得轉載，授權事宜請聯系kefu@cailiaoren.com。

歡迎大家到材料人宣傳科技成果并對文獻進行深入解讀，投稿郵箱: tougao@cailiaoren.com.

投稿以及內容合作可加編輯微信：cailiaorenVIP。