宁波材料研究所，首篇Science

插层材料具有独特的性能，并作为重要的二维(2D)材料的前体。然而，非范德华结构的插层很难扩展二维材料家族。

2023年3月16日，中国科学院波材料研究所黄庆和德雷塞尔大学Yury Gogotsi共同通讯在Science 在线发表题为“Chemical scissor–mediated structural editing of layered transition metal carbides”的研究论文，该研究报道了一种层状碳化物(MAX相)及其二维衍生物(MXenes)的结构编辑协议。

化学“剪刀”和插层剂分别介导了缝隙打开和物质插层阶段，形成了具有非常规元素和结构的MAX相以及具有多功能末端的MXenes。用金属“剪刀”去除MXenes中的末端，然后用原子插入拼接2D碳化物纳米片，从而重建MAX相和一系列金属插入的2D碳化物，这两者都可能推动从能源到印刷电子等领域的发展。

插层材料主要是通过将非“本地”物质引入固有层状vdW材料的范德华间隙(vdW)，如石墨、六方氮化硼和过渡金属二卤属化合物。Guest-host交互改变了电子结构，并使能量存储、催化、电子、光学和磁性应用的属性定制成为可能。Mn+1AXn，或“MAX相”，是三元层状化合物的一大家族，通常在M和A原子之间具有弱金属键，在Mn+1Xn层内具有共价键。这里，M表示早期过渡元素，A是主族元素，X是氮和/或碳，n是1到4之间的数字。

MAX相中的强非vdw键需要化学蚀刻A元素以获得它们的二维(2D)衍生物MXenes。MXenes中产生的vdW间隙为插入各种来宾物质提供了空间。例如，阴离子F–、O2-、OH–和Cl –与MXenes暴露的M原子自发配位为终止种T，由Mn+1XnTx 公式描述。在vdW间隙中插入阳离子、阳离子表面活性剂和有机分子，扩大了MXenes的层间距，促进了它们的单层分解，在能量存储、印刷电子、电磁干扰屏蔽和许多其他应用中发挥作用。

化学剪刀介导的MAX和MXene的结构编辑协议（图源自Science ）

Lewis酸性熔盐(LAMS)刻蚀方案，该方案能够在MAX相中蚀刻和替换弱键合层间原子。合成了一系列含有过渡金属和纯卤素端部MXenes的MAX相，并探索了作为催化剂、铁磁和电化学储能材料的应用。然而，只有少数LAMS具有作为腐蚀剂和插层剂所需的热物理(溶解度、熔点和沸点)和化学(氧化还原电位和阳离子的活性以及阴离子的配位几何结构)特性。例如，具有-O， -S， -Se， -Te和-NH末端的MXenes只能通过与溴化MXenes的阴离子交换反应实现。

直接使用具有强共价键的氧化物或硫族化合物来提供-O和硫族末端将是一项艰巨的任务，因为它们的高熔化温度和低溶解度，这两者在很大程度上限制了LAMS蚀刻的结构编辑能力。在这项工作中介绍了一种化学“剪刀”介导的插层化学，用于非vdW MAX相和vdW MXenes的结构编辑。极大地扩展了MXenes的MAX相和终止基团的组成元素范围。交替使用LAMS和金属剪刀进行结构编辑，导致MAX相和MXenes在熔盐中直接剥离成堆叠的片层，并指导了一系列二维金属插层碳化物的发现。

参考消息：

https://www.science.org/doi/10.1126/science.add5901

转自：“iNature”微信公众号

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