研究背景

隨著技術的迅速發展和對石墨烯等二維材料光電性質的發現，人們對除石墨烯之外的其他二維平面材料的研究越來越引起關注。這些材料包括過渡金屬硫化物、碳氮化物、氮化硼等。這些二維材料的概念是指它們可以使制造的設備微型化到幾乎原子尺度，并且可以提供非凡的性能。然而，這些材料的研究面臨著一些問題，包括如何有效地制備它們以及如何充分利用它們的特性。

研究內容

為了解決這些挑戰，近日西班牙巴斯克材料、應用和納米結構中心Samrana Kazim教授和Shahzada Ahmad教授們進行了大量的研究和綜述，其中包括發現新的二維材料、改進制備方法、探索其性質以及尋找其潛在應用。其中，MXenes的發現是一個重要的里程碑，這是一類具有優異性能的二維過渡金屬碳化物、碳氮化物和氮化物。本綜述著重解決了MXenes作為一種新興材料所面臨的挑戰和機遇。它對MXenes的合成、性質和應用進行了全面的總結，以揭示其在能源和其他領域的潛在應用。綜述中介紹了MXenes的來源、合成方法、性質以及各種潛在應用。通過對MXenes的深入探討，本綜述為進一步研究和應用MXenes提供了重要的指導和啟示。

圖文導讀

為了系統性地總結MXenes作為新興材料的研究進展、性質和潛在應用，本綜述進行了綜合性的分析和總結。在綜述中，圖1至圖22展示了MXenes在不同方面的研究進展和應用。首先，在圖1中，MXene的結構和不同組成的示例被詳細呈現，包括MXene的基本結構、不同元素組成的示例以及其可能的排列方式。這為我們提供了對MXene的基本了解，為后續的討論奠定了基礎。接下來，在圖2中，展示了MXenes在各種領域的潛在應用，包括光伏器件、能源存儲、超級電容器、電磁干擾屏蔽、光電二極管等。這表明MXenes具有廣泛的應用前景，并且在解決能源和環境問題方面具有重要作用。此外，在圖3至圖22中，展示了MXenes在各種應用中的具體效果和作用。例如，圖19展示了MXenes在鈉離子插層和去除循環中的反應機制，圖21展示了MXenes與其他物質的結合方式，以及在催化和光電性能方面的應用。這些圖表提供了對MXenes在各種應用中的實際效果和作用的直觀認識。相關圖文結果如下：

圖 1 | MXene的結構和迄今為止報告的成分。

a)帶有幾個實驗證實的組成的MXene結構的示意圖。

2D MXene具有Mn + 1XnTx的一般公式，其中M是過渡金屬，X是碳和/或氮，而Tx代表表面終止基團。公式中的n值可以從1到4不等，這取決于M層和X層的數量。MXene的M位點可以被一個或多個過渡金屬原子占據，形成固溶體（表B中的淺金色）或有序結構（表B中的灰色）。有序雙過渡金屬MXene出現為平面有序結構[i-MXene，例如，（Mo1.3Y0.6）CTx]；平面空位結構（例如，W1.3CTx）；和垂直有序結構（o-MXene），在此結構中，M′′過渡金屬的一層夾在兩層M′過渡金屬之間（例如，Mo2TiC2Tx）或者兩層M′′過渡金屬夾在兩層M′過渡金屬之間（例如，Mo2Ti2C3Tx）。有序雙空位結構僅在M2C MXene中觀察到。這種結構導致每個M層中的三分之一的所有原子位置都為空缺，從而產生M4/3C組成（這些組成在表B中標記為深金色）。在M5X4結構中，可能存在其他配置，其中M′′層位于M′層之間，可能有一層或三層。仍在等待實驗確認的預測結構，例如更高階的單M或o-MXene和高熵MXene，通過底部圖像模糊表示。b)迄今為止報告的MXene組成的示例。該表包括MXene的實驗探索組成（橙色突出顯示）和理論研究組成（綠色表示）（M = 2,3,4）。

圖 2 | MXene的潛在應用。

圖 3 | 2D-MXene在鈣鈦礦太陽能電池中誘導改良性能的應用。

圖 4 | 關于S-Q極限的最高效率太陽能電池的光伏參數，包括a）JSC，b）VOC和c）FF。

圖 5 | a）建議的鈣鈦礦薄膜的成核和生長路徑。b）具有不同Ti3C2Tx量的PSC的J-V曲線。

圖 6 | 在PbI2中助劑為Ti3C2Tx的兩步法制備高質量鈣鈦礦薄膜的建議策略。

圖 7 | a）環繞次級電子截止的UPS光譜，b）價帶（VB）區域的UPS光譜，c）未摻雜和MXene摻雜鈣鈦礦的能級圖至EFerm。e）器件的EQE光譜，d）器件反向掃描的J-V曲線。

圖 8 | a）Ti3C2 QDs修飾的基于不同ETL的PSC的J-V曲線，b）基于Ti3C2–TiO2 ETL的Ti3C2 QDs修飾的PSC的FS和RS J-V曲線，c）建議的器件架構。

圖 9 | MAPbBr3和Ti3C2Tx納米片之間的能帶對準和能量傳輸過程的建議方案。

圖 10| a）通過EIS分析測量的Nyquist圖，b）控制器件的電子設備中電子-只有器件的雙對數J-V特性，具有FTO / TiO2 /鈣鈦礦/ PCBM / Ag結構，c）環境的器件架構。d）PSC的器件結構，e）橫截面SEM圖像，f）每個層的示意能級圖。

圖 11| （a）建議的鈣鈦礦薄膜的成核和生長路徑。b）具有不同Ti3C2Tx量的PSC的J-V曲線。

圖 12| a）平面PSC的示意圖，b）在正向和反向掃描下最佳PSC器件的J-V曲線，c）穩定的穩態功率輸出。經許可重印。 d）基于MXene的平面PSC的示意圖，e）能帶圖。

圖 13|設備的能帶間隙和在界面處的載流子傳輸機制。

圖 14| a）器件架構，b）器件的橫截面SEM圖像，c）每個層的示意能級圖。d）配置e）橫截面SEM圖像和f）冠軍器件的J-V反向曲線。

圖 15 | a）器件配置，b）器件的橫截面SEM圖像，c）能帶圖。

圖 16| a）所提出器件的橫截面SEM圖像，b）能帶圖，c）器件的制備協議。

圖 17| a）W2HfC2O2的電子能帶結構，不考慮（頂部）和考慮自旋-軌道耦合（底部）。圖中還顯示了每個組分元素具有不同軌道對稱性的能帶結構。Fermi能位位于0能量處。b）LB-Ti3C2Tx制備的示意圖。首先進行Lewis堿（LB）鹵化物處理，然后通過脫溶的Na+和K+將Ti3C2Tx插層，從而增加層間間隔，并且表面的-F終止被脫溶的鹵素陰離子替換。c，d）多層Ti3C2Tx和LB-Ti3C2Tx的SEM圖像，顯示增加的層間間距。

圖 18| a) 三維打印獨立MXene結構的加工策略示意圖。b) 由3D打印制作的MOx-Mxene/S電極的制備過程示意圖。

圖 19| a) 示意圖顯示Na+插層到Ti3C2Tx的層間間隙的機制。b) 在第一個Na+離子插層和去除循環期間選擇的電池電壓下的V2CTx的原位硬X射線吸收近邊光譜（XANES）譜圖；c) 捕獲XANES譜圖的第一個Na+離子插層和去除循環的電壓特性；d) 從XANES譜圖中選擇的電池電壓的V邊緣能量變化，顯示MXene中V的可逆氧化態變化。

圖 20| a) 低放大率和b) 高放大率掃描電子顯微鏡（SEM）圖像顯示a-Ti3C2納米帶（MNRs）。c) a-Ti3C2 MNRs的透射電子顯微鏡（TEM）圖像。d–f) a-Ti3C2 MNRs的高分辨透射電子顯微鏡（HRTEM）圖像：d）從c）中的位置A拍攝的單個MNR，e）從c）中的位置B拍攝的扭曲的MNR，f）平坦的MNR。

圖 21 | a) SEM和b) TEM圖像顯示ex-Ti3C2納米片。c) PDDA-NPCNs的TEM圖像。d) PDDA-NPCN/Ti3C2的SEM和e) TEM圖像；以及f) PDDA-NPCN/Ti3C2的電子衍射圖案。g) EDS譜圖。h) PDDA-NPCN/Ti3C2的HAADF-STEM圖像及相應的Ti、C和N元素的元素分布圖像。i) PDDA-NPCN/Ti3C2的AFM圖像和厚度剖面。經許可重印。j) o-P-CoTe2/MXene的制備路線示意圖。k) MXene的SEM圖像；l) 六角形（h）-CoTe2/MXene；和m) 正交P摻雜的o-P-CoTe2/MXene。

圖 22 | a) 3D打印（3DP）-MXene陣列-Li/LFP、3DP-MXene格子-Li/LFP和Cu-Li/LFP在從0.2到30 C的充放電速率下的速率性能；在不同電流密度下的b) 10 C和c) 30 C的充放電電壓曲線。d) 3DP-MXene陣列-Li/LFP的循環性能和嵌入圖中的典型電壓曲線。

結論展望

本文深入研究了MXenes在能量存儲和光電子器件中的廣泛應用，特別是在鈣鈦礦太陽能電池（PSCs）和電化學能量存儲方面。首先，MXenes作為一類二維材料，具有多樣的功能化基團和可調性，使其在各種應用中表現出色。在PSCs中，MXenes表現出優越的性能，能夠改善光伏器件的穩定性和效率。其高電導性、層狀結構和高比表面積使其成為PSCs中理想的添加劑和界面材料。通過對不同表面終止基團的選擇和對MXene進行功能化，可以調節其與鈣鈦礦表面的相互作用，從而進一步優化PSCs的性能。其次，本文強調了MXene在電化學能量存儲領域的潛在應用。MXenes展現出優異的電化學性能，可作為電極材料應用于電池和超級電容器中。通過調節MXene的表面終止基團和引入異質結構，可以改善其電池性能，提高儲能容量、速率性能和循環穩定性。然而，對于實現MXene在大規模應用中的障礙，仍需解決其合成成本和膠體懸浮液制備的問題。第三，本文指出MXene的獨特性質為多個領域帶來了豐富的應用前景。MXenes在催化、環境保護和生物醫學方面也展現出了巨大的潛力。其高導電性、層狀結構和豐富的表面化學性質使其能夠應用于多種場景，如電催化、電磁屏蔽、光電探測和生物傳感等。最后，本文指出了MXene領域面臨的一些挑戰和未來的研究方向。例如，需要進一步探索不同來源的MXenes，以拓寬其應用范圍。在大規模自組裝方面，引入智能方法如機器學習和神經網絡可以加速新型MXene的發現和優化。

該工作發表在Advanced Functional Materials上

文章鏈接（點擊“閱讀原文”）：https://doi.org/10.1002/adfm.202315694

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