IF:87.2，MXenes材料，Nature Reviews Materials！

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原创丨米测MeLab

编辑丨风云

背景介绍

MXenes自2011年发现以来，已成为材料科学中增长最快的2D材料家族，其研究规模在2D材料领域仅次于石墨烯。这种材料因其多样化的表面化学、类金属的导电性、优异的机械强度及电化学性能而备受关注。然而，如何通过精确控制其原子尺度的组成和结构来实现“按需定制”性能，仍是当前将实验室发现转化为实际应用的核心任务。

综述概述

有鉴于此，普渡大学Babak Anasori、德雷塞尔大学Yury Gogotsi等人在这篇综述中，介绍了MXene有序和无序的成分驱动（M依赖和X依赖）结构控制的最新进展、控制MXene表面功能的突破，以及在合成过程中或通过合成后修饰维持或增强MXene功能的新兴创新方法。讨论了组成多样性和原子排列的变化如何产生支撑新技术突破的材料性能。回顾了包括原子空位控制、插层工程和表面功能化在内的设计策略。严格评估MXene对于选定应用的可设计性，并强调其可调节的属性和行为。还展示了MXenes研究的新兴领域，包括生物医学、光电子学、环境治理与催化、通信与量子技术、空间探索及热管理方面的进展。最后，提供了关于如何设计MXenes的化学和结构来应对和克服社会面临的挑战的观点。本综述通过应用程序驱动的设计策略为MXene中的成分-结构-性能关系提供了一个全面的框架。

具体内容

MXenes中M和X的组成与结构多样性

控制核心M_n+1X_n层是设计性能的第一步。通过选择性蚀刻MAX相，可精确调控X位的碳氮比，如Ti₃CNT_x因增加自由载流子，电导率高达35,000 S/cm，远超纯碳化物。M位金属层的调控则展现了更为复杂的原子排序行为：在多金属体系中，由于电负性和原子半径的差异，金属原子会呈现出面外有序（o-MXenes）或面内有序（i-MXenes）高熵MXenes利用熵增效应实现多金属原子的随机无序分布，这种结构反而能有效降低材料的电阻率和红外发射率。此外，从含有钪、钇或镧系元素的i-MAX前驱体出发，可制备出具有有序双空位结构的MXenes。虽然空位会略微降低稳定性，但其独特的开放结构极大提升了电化学储能的容量和电催化的反应活性位点，为定制材料的磁性和输运性能提供了广阔空间。

图  MXene 的成分、结构和化学键合

图  通过MXene的MAX相的原子M–X设计策略

表面末端对表面化学的定制化影响

表面末端T_x（如-O, -F, -Cl）是MXenes区分于其他2D材料的关键特征，能显著改变金属d轨道与表面原子的轨道杂化。通过有机配体功能化（如胺基、硅醇基、重氮盐），可调节其疏水性并在有机溶剂中实现稳定分散，甚至构建出能显著增强光吸收的超材料架构。路易斯酸熔盐蚀刻和气相合成法能产生极其均匀的卤素末端，为二次化学改性提供了理想的“模块化”平台。实验证实，表面末端对电子性质有深远影响：例如，热处理脱氟可使Ti₃C₂T_x的功函数从4.8 eV降至4.1 eV；而引入硫或硒末端则能赋予Nb₂C超导特性，其转变温度可达6K。热力学计算进一步表明，卤素末端能有效抑制竞争相的生成，显著提高超薄M₂X结构的热稳定性。这种通过表面化学修饰实现“按需定制”性能的策略，是开发耐极端环境材料的重要方向。

图  表面化学控制对MXene性能的影响

缺陷、单原子掺杂与插层工程的微调作用

原子级缺陷、单原子掺杂和插层工程是微调MXenes性能的三大精密手段。通过调节蚀刻剂浓度或电子束辐照，可以定量控制过渡金属空位的密度，从而调节能带间隙以适应光子学应用，并增强催化活性和电荷储存能力。单原子掺杂利用这些空位捕获并稳定贵金属原子（如Pt, Au），通过电荷转移相互作用防止其团聚，极大提升了功能特性。例如，锚定在Mo空位上的单原子Pt（Pt-Mo₂TiC₂T_x）在析氢反应（HER）中的质量活性比商业Pt/C高出40倍。插层工程则利用范德华力和静电作用，将碱金属阳离子、有机分子或聚合物嵌入层间以调节层间距（d-spacing）。这不仅改变了层间化学微环境和离子传输路径，还为性能优化提供了新途径。研究发现，利用较小的Li⁺离子取代大体积的有机阳离子（如TMA⁺），不仅能缩短层间电子传输距离从而提升电导率，还能显著改善胶体溶液的长期分散稳定性（从数小时延长至三个月以上）。此外，在电磁屏蔽应用中，有机分子的插层能诱导界面电荷重新分布，导致延迟极化响应，从而通过增强电磁能耗散来提高吸收效率。

图  通过原子缺陷、单原子掺杂和插层工程调整MXene性能的策略

组成多样性作为可调MXene性能的关键

MXenes近乎无限的化学组合空间为其性能调控提供了强大的“设计工具箱”，使其能够针对特定应用进行原子尺度的模块化设计。在电催化领域，M层金属的选择决定了吸附效率：早期过渡金属（如Ti, V）具有适中的氢吸附能，而后期过渡金属（如Mo, W）因费米能级附近电子态密度较高，更有利于HER过程中的电荷转移。在电磁屏蔽（EMI）机械性能方面，通过组装MXenes与石墨烯等材料，可制造出拉伸强度高达1.87 GPa的超强复合薄膜。未来，结合机器学习和高通量实验，这种组成多样性将加速发现更多针对量子技术、空间探索等前沿领域定制的特殊性能MXenes。

图  MXene 中的成分-属性关系指导其应用

MXene驱动技术的未来展望

MXenes的原子级设计正将该材料推向生物医学、光电子、环境催化、通信量子及空间探索等新兴前沿。在生物医学领域，可通过M-X化学调节机械刚度以匹配骨骼生长需求，利用高Z金属实现对比度增强的成像，并发挥其在近红外区的强光热转换效应进行精准肿瘤治疗。光电子方面，半导体性MXenes的发现为广谱光探测提供了可能，其高载流子迁移率与柔韧性的结合，将助力开发下一代多模态光电器件。在环境与催化领域，通过缺陷工程、单原子掺杂和层间工程，可显著优化活性位点密度，实现高效的析氢、固氮及复杂有机污染物的降解。针对通信与量子技术，MXenes的宽带电磁响应适用于太赫兹调制器，而自旋-轨道耦合与量子局限效应的研究则开启了量子信息处理的新空间。在热管理与空间探索中，MXenes展现出极佳的高温稳定性（惰性环境下达800°C），通过插入“抖动”阳离子可进一步降低热导率，应对极端环境挑战。未来的关键在于转向环保且可扩展的规模化合成，并深度结合人工智能与高通量计算，加速实现针对特定应用需求的“原子级精密制造”。

图  MXene的未来应用

总结与展望

这篇综述构建了MXenes“组成-结构-性能”关系的全面框架，强调其真正的威力在于原子尺度的“设计者化学”控制。通过对M_n+1X_n核心、表面末端、原子级缺陷及插层物质的精准工程，可以实现性能的模块化定制，从而攻克从高效储能到深空探测等领域的技术瓶颈。未来结合AI驱动的发现模式与环境友好的大规模合成技术，MXenes有望作为一种全能材料平台，在下一代前沿科技中发挥核心作用。

参考文献：

Thakur, A., Kim, J., Wyatt, B.C. et al. Composition–structure–property relationships in MXenes. Nat Rev Mater (2026). 

https://doi.org/10.1038/s41578-026-00911-9

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