材料人报告|MXene材料国内外研究情况调研

一.MXene材料简介

MXene材料是一类具有二维层状结构的金属碳化物和金属氮化物材料，其外形类似于片片相叠的薯片。MXene材料的化学式为M_n+1AX_n, 其中(n = 1–3)，M代表早期过渡金属，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学元素；X代表C或N元素。

目前该类材料已在多个领域（如能源、光学、催化等）引发了全世界的关注。第一个MXene成员在2011年首次被美国德雷塞尔（Drexel）大学尤里·高果奇教授（Professor Yury Gogotsi）和Michel Barsoum共同指导由博士生Michael Naguib制备得到。Yury Gogotsi教授是美国德雷克塞尔大学杰出教授、纳米技术研究所所长，是世界著名材料专家、ACS Nano杂志副主编、碳素材料和陶瓷材料技术领域的国际知名学者。多年来，Yury Gogotsi教授带领研究团队在碳材料领域开展了深入系统的研究，采用先进方法获得了新颖的碳纳米管、介孔碳、洋葱碳以及石墨烯等多种碳材料，并探索了它们在锂离子电池、电化学电容器中的应用，取得了一系列重要的研究成果。他在国际上率先将层状陶瓷（MAX相）剥离为二维材料（MAXene，如二维过渡金属碳化物或碳氮化物）。近年来，Yury Gogotsi教授承担了美国国防部、能源部以及国家自然科学基金的许多重要科研项目。目前已发表450余篇学术论文，其中在Science、Nature及其子刊发表论文超过25篇，Science、Nature及Nature系列、Adv Mater等著名期刊上发表论文超过400篇，被引用次数超过21000次，并与人合著2本著作，参与了13本书的编著。其研究成果得到了同行专家的高度评价，先后获得美国、欧洲、中国等多个国家40余项学术奖励，他曾获得包括“European Carbon Association Award”、“Highly Cited Researcher”在内的多个国际奖项及荣誉，2014年被Thomson Reuters评为“世界最有影响力的科学家”。

说起第一个MXene成果，最初是由Michael的导师 Barsoum在探讨储能项目而找到Yury联合指导。MXene的发现离不开Dr. Barsoum，没有他的话很多原料是出不来的，那么很多种MXene也就无法被发明。

材料人曾采访过Yury Gogotsi，如有兴趣可以移步：MXene诞生记

二.MXene发文数据分析

小编根据Web of Science数据对MXene材料相关论文进行了统计，截至2018年的近十年发文数量达到542篇，下面小编从年份、领域等几个不同方面为大家分析。

1、不同年份发文情况

由图可以看出，该材料领域在2012年以前未有报道，2011年首次发现制备得到，但在报道之后，引起了巨大关注，近五年发文数量呈现逐年上升的趋势，目前该类材料已在多个材料研究领域（如能源、光学、催化等）引发了全世界的关注。

2、不同作者、机构发文情况

从发文作者以及研究机构单位数据图可以看出，MXene材料领域的研究以德雷塞尔大学的研究为主导，其中Yury Gogotsi、Barsoum Michel W以及赵梦强等研究人员均来自德雷塞尔大学，Yury Gogotsi教授从2007年开始到2016年这十年间发表超过百篇文章，其中包括论文、综述、专著等多种形式；国内的主要研究机构有中国科学院宁波材料研究所、河南理工大学、陕西滚球体育 大学以及燕山大学等，其中周爱国教授、王李波教授等均来自河南理工大学，为国内研究MXene材料做出了显著的成绩。其中，以Yury Gogotsi教授的文章为主，受到了世界范围研究者们的关注，他的高引用文章数多达26篇，同时德雷塞尔大学多位研究者的工作合计有超过50篇为高被引文章，说明了他们的MXene领域领头羊的地位，另一方面，也是世界各地MXene领域科研人员对德雷塞尔大学相关研究者研究工作的一种认可。

3、不同期刊发文情况

上表统计了几种影响因子和行业内知名度较高的几种期刊发文情况，可以看到，近年间MXene材料发表高质量文章的数量还是很可观的，在材料领域的高水平期刊Advanced Materials、ACS Nano、Nano Energy等期刊发表文章数超过50余篇，说明MXene材料的研究正处于较高水平的快速发展中，其研究的可行性也逐渐得到了认可；另外，在多种应用领域的频繁发文也说明了MXene材料越来越受到各领域的重视，其应用也愈加广泛。这种新型材料的研究与应用方兴未艾！

4、国际公开专利发表情况

小编根据WIPO数据对MXene材料的相关专利发表情况进行了统计，截至2018年发表专利数量达到了78篇，下面小编从年份、研究机构分布等不同方面为大家分析。

由上图可以看出，该材料领域在2014年以前未有专利申请，但在报道之后，引起了巨大关注，近几年发表专利数量呈现逐年上升的趋势。从发表专利作者以及研究机构单位统计表可以看出，发表MXene材料领域专利的研究人员，在国内以陕西滚球体育 大学研究学者们为主导，其中朱建峰、杨晨辉以及王芬等研究人员均来自陕西滚球体育 大学，专利研究方向包括吸波复合材料、低温制备复合材料、锂离子电池负极材料等；国外来说，美国德雷塞尔大学的Yury Gogotsi、Barsoum Michel W以及Ghidiu Michael J 教授等人发表多篇相关专利，为MXene材料的实际应用做出巨大贡献。

三.MXene高被引文章

四.MXene文章荐读

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

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

MXenes的制备主要是通过HF酸，NH₄HF₂溶液，LiF及HCl混合溶液及低共熔混合盐介质中对A位为Al的MAX相材料中的Al原子选择性刻蚀而得到。由于过渡金属Zr及Hf难以形成A位为Al的MAX相，因此，截止目前，关于Zr系及Hf 系的MXenes材料仍未见报道。相比于Zr系材料，Hf系层状碳化物更难获得单一的物相，研究人员基于固溶法调谐单胞内亚层的思路，在Al位引入少量Si，采用SPS方法合成了新型固溶体材料，以此固溶体为前驱体，以HF酸为蚀刻剂，实现了对Al(Si)-C结构单元的选择性剥离，首次获得了Hf系二维MXenes材料；借助结合能和原子电荷计算分析，阐明了Si掺杂促进氢氟酸剥离过程的微观机制。Hf系新颖二维碳化物材料在储能、吸波和光电器件上有着潜在的应用，高体积比容量材料有望应用于发可应用于空间飞行器、移动装备等小型化供能系统中。

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

文章证明了二维过渡金属碳化物（MXenes）在超越传统双电层电容器的扫速下仍能提供比碳、导电聚合物或者过渡金属氧化物更高的体积和面积电容。研究者们证实了不同电极设计策略会影响Mxene的电容接近理论电压窗口，同时也表明扩展的电压窗口不仅在玻璃碳中，其他集流体的使用也可以得到同样的结果。大孔电极结构在充放电速率高达1V/s时仍能保留优异的电容值，其结果超越现有所报道的碳材料超级电容器数值。水凝胶电极显示出高达1500F/cm³的体积电容和4F/cm²的面积电容。该研究表明赝电容材料在超过10V/s的扫速下仍能保持优异性能，可以作为能量收集和存储器件使用，并且有可能实现复合材料和结构的优化，为电化学能量收集，转换和存储领域获取更多的新机会。

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

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

介绍了一种具有高度有序的亚纳米通道二维层状分子筛膜MXene，利用MXene纳米片表面丰富且分布均匀的末端基团支撑形成高度有序的二维层状纳米孔道，实现快速、精准的气体分离能力：H2渗透通量达到2200 Barrer，H₂/CO₂的分离选择性达到160；并利用分子动力学定量模拟验证实验结果. 将具有二维结构和物理化学性质可调的MXene二维材料开发为新型分子筛膜为膜分离领域提供了激动人心的机会。现在已经有30多类MXenes材料可以使用，并且还有几十个MXenes可以制备出来，这为进一步提高其分离性能提供了很大的空间。本文研发的MXene膜对于气体的分离是十分重要的，例如甲醇重整过程中的H₂净化，零排放化石燃料发电过程中CO₂捕集，氨生产中H₂回收等。此外，文章还展示了关于二维分子筛膜结构设计的新概念，即：采用高度有序的二维纳米通道，可以实现快速、精确的分子筛分，突破trade-off限制，提高分离效率。

本文由材料人编辑部报告组Jane撰稿，箜小天等审核整理。

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