3月17日，中国科学院宁波质料技能与项目研究所进步前辈能源质料项目试验室黄庆研究员等人于国际学术杂志Science上揭晓了题为 Chemical scissor-mediated structural editing of layered transition metal carbides 的研究文章（DOI: 10.1126/science.add5901）。该研究事情乐成开发了一种 化学铰剪 辅助的层状过渡金属碳/氮化物（MAX相以及MXene）布局编纂计谋，实现了层状过渡金属碳/氮化物布局拓扑改变及组分精准调控，并创制出一类金属原子插层型二维碳化物新质料。

MAX相是一类具����APP备六方晶体布局（空间群为P63/妹妹c）的非范德华纳米层状化合物，份子式为Mn+1AXn，此中M重要为前过渡族金属，A通常是ⅢA以及ⅣA主族元素，X为碳、氮或者硼元素，n取值1～4之间。MAX相晶体布局中存于共价键为主的Mn+1Xn亚层以及金属键为主的M2A亚层布局，该怪异的混淆成键布局使其兼具金属的导电、导热、易加工、耐疲惫等特征，也体现出陶瓷的高强度、耐腐化、耐氧化、耐辐照等布局性子，于高温电接触、金属基复合质料以及变乱容错型核包壳等运用范畴遭到广泛存眷。2011年，Drexel年夜学Yury Gogotsi等人发明MAX相中A位原子颠末化学刻蚀后可衍生出一类二维过渡金属碳/氮化合物（正常称为MXene，份子式为Mn+1XnTx，此中T为外貌端基）。MXene具备与石墨烯相似的原子摆列体式格局，并且晶格组分（M以及X元素）以及外貌端基（T元素）富厚可调，是以于光电器件、电化学储能、电磁屏蔽、外貌催化、分散膜等范畴揭示出极年夜的运用潜力（Science, 372, 1165 （2021））。是以，怎样切确调控MAX相以及MXene质料二维层间的组分以及布局已经经成为制约实在现特定功效运用的最年夜应战。

黄庆研究员领导团队始终致力在三元层状碳/氮化物MAX相及其衍生的二维过渡金属碳/氮化物MXene的创制研究。2019年，该研究团队初次提出了一种基在路易斯酸熔盐的 同晶置换 合成路径（Journal of the American Chemical Society, 141, 4730 （2019）），该要领可将通例MAX相中的A位主族元素（如Al、Ga等）替代为很是规的过渡族元素（Fe、Co、Ni、Cu、Zn等），从而合成出一系列全新MAX相布局质料。与此同时，该研究团队发明于路易斯酸熔盐的刻蚀作用下，M原子可以成为配位中央与熔盐中的卤素阴离子彼此作用，于不使用含氟刻蚀剂的前提下乐成得到了MXene质料，并经由过程构建高温熔盐情况下阳离子与A元素的氧化还原电位/置换反映吉布斯自由能映照图谱，提出了一种路易斯酸熔盐刻蚀MAX相合成MXene的通用计谋（Nature Materials, 19, 894 （2020））。上述研究结果显示前途易斯酸熔盐合成路径为MAX相以及MXene质料布局调控提供了全新思绪，然而其插层化学机制并未获得深切研究；受限在通例路易斯酸熔盐的物理化学性子，如氧化还原电位较低、沸点较低、高温不不变等，该要领合用性仍旧存于很年夜的局限性。

近期研究注解，非范德华力层状质料层间的打开以及闭合彻底由 化学铰剪 以及客体品种性子而定，而MAX相以及MXene之间的拓扑改变可邃密化地由四个反映路径完成（如图1所示）：路径I：路易斯酸熔盐阳离子作为 化学铰剪 刻蚀MAX相的A位原子，打开非范德华间隙，造成层间原子空位布局（图1中的Mn+1□Xn））；路径II：熔盐中溶剂化的插层原子散布进入层间原子空位造成MAX相；路径III：还原性金属原子作为 化学铰剪 敲除了MXene的外貌端基，打开范德华间隙；路径IV：熔盐中阴离子与M位原子配位造成MXene质料。 化学铰剪 以及客体物资的协同作用付与层间组分以及布局调控更年夜的空间，终极获得了一系列含有通例A位元素（Al、Ga、In以及Sn）以及很是规A位元素（Bi、Sb、Fe、Co、Ni、Cu、Zn、Pt、Au、Pd、Ag、Cd以及Rh）的MAX相质料，以及包孕卤素、硫属、氮族端基类型的MXene质料（T=-Cl、-Br、-I、-S、-Se、-Te、-P以及-Sb）（图2）。有趣的是，经由过程路径III以及路径II可以实现二维MXene到三维MAX相的拓扑布局改变，即Mn+1XnTx的化学端基T被 化学铰剪 敲除了以后，层间原子空位可从头放入金属原子A，Mn+1□Xn从头拆卸为Mn+1AXn。显然， 化学铰剪 辅助的布局编纂计谋不只为MAX相以及MXene质料的布局及化学组分的精准调控提供了有用的手腕，并且无望为二维质料的三维拆卸提供新思绪。

研究发明，MAX相根据 路径I 路径IV 路径III 路径II 拓扑改变挨次屡次层间刻蚀以及布局拆卸以后，终极获得的二维碳化物同时具备插层金属原子以及外貌端基布局，即一种新型的金属插层型二维碳化物质料（Metal-intercalated 2D carbides），份子式可写为M（n+1）mAm 1XnmTx（这里m暗示终极Mn+1□Xn布局单位介入拆卸的层数）。当m=1时，M（n+1）mAm 1XnmTx为Mn+1XnTx，也即MXene质料。当m充足年夜时，M（n+1）mAm 1XnmTx中M、A、X元素对于晶体布局的体机能起到决议作用，外貌端基T险些不孕育发生影响，份子式可简化为Mn+1AXn，也即MAX相质料。因而可知， 化学铰剪 布局编纂计谋同时表现了 自上而下 （Top-Down）以及 自下而上 （Bottom-Up）的纳米质料合成基本理念。

论文的第一作者为中国科学院年夜学2023年应届玻士卒业生丁浩明，通信作者为中科院宁波质料所黄庆研究员、美国德雷塞尔年夜学Yury Gogotsi传授。该研究事情的第一完成单元为中科院宁波质料所，互助单元为美国德雷塞尔年夜学以及瑞典林雪平年夜学，获得了中科院国际互助伙伙计划（174433KYSB20190019）、浙江省重点研发规划（2022C01236）、浙江省双创工程（2019R01003）、宁波市顶尖人材团队规划（2018A-03-A）、广东东江试验室专项（HND20TDTHGC00）、国度天然科学基金（2167119五、5217225四、5225000五、5220232五、U2004212）以及宁波质料所所长基金的撑持。

图1 化学铰剪 辅助的层状过渡金属碳化物的布局编纂计谋示用意

图2 元素周期表汇总了构成MAX相以及MXene的元素品种。浅蓝色为M位元素，土褐色为A位元素，玄色为X元素，绿色为端基元素，圈出元素为文章中已经开展试验验证的元素

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