MXene材料是一類具有二維層狀結構的金屬碳/氮化物（transition metal carbide/nitride）,其化學通式為Mn+1XnTX, 其中(n = 1–3)，M代表早期過渡金屬，如Ti、Zr、V、Mo等；X代表C或N元素，Tx為表面基團，通常為-OH,-O,-F和-Cl。由於其與Graphene類似的片層結構，故而得名MXene。MXene材料最早是在2011年由美國德雷塞爾（Drexel）大學Yury Gogotsi教授和Michel Barsoum教授共同發現。最早被實驗製備也是目前研究最多的一類MXene就是Ti3C2Tx。
MXene獨特的理化性質使其近年來在能源存儲與轉換，傳感器，多功能聚合物複合材料等多個領域受到學界廣泛關注。MXene近年來的大熱，離不開中國學者以及研究人員們的大力支持。可以說MXene起源於美國，發展於中國，今天就來看看MXene的研究在中國的研究分布。
圖1. 參與MXene研究的主要單位國內分布圖
東北 地區
吉林大學作為MXene共同發現者Yury Gogotsi教授的聘任單位，在國內MXene研究單位中堪稱執牛耳者，首屆MXene學術會議便是在吉林大學召開。如吉林大學謝禹教授就曾參與報導過層間金屬鍵主導的Mo2C MXene多重堆垛結構與演變規律。[1]高宇副教授聯合Yury Gogotsi揭示了MXenes在酸性電解質中的插層式贗電容機理，隨後，該團隊又將MXene用於微型電容器，基於該微型電容器的曲率和應變變化，開發了一種電化學驅動器。[2,3]中科院瀋陽金屬所王曉輝教授課題組近年來也致力於探索MXene在能源存儲及轉化領域的應用並尋求突破，早在2016年，該課題組就已通過原位拉曼光譜結合計算模擬（castep模塊）實現拉曼峰的識別，闡明了MXene高電容產生的根源。[4]近日，該團隊又與美國勞倫斯伯克利國家實驗室和鄭州大學等多家單位合作，利用MXene的親水性和還原性的優勢，自發地將Pt離子還原成金屬Pt製備了超穩定的MXene@Pt/SWCNTs納米催化劑並將其用於析氫反應，取得了喜人成果。[5] 在MXene儲能領域，大連化學物理研究所的吳忠帥教授團隊近年來針對MXene基納米結構材料在金屬離子電池中的應用也進行了系統研究。他們針對含有不同維度（0D，1D和2D）活性材料的MXene複合材料，從不同複合方式（負載，包覆，三明治結構）入手，對不同金屬離子電池體系中MXene與活性材料之間的協同作用與反應界面進行了詳細闡述。較為經典的就是通過在KOH溶液中超聲處理二維金屬碳化物納米片(MXene)，成功製備了層間距擴大的鹼化MXene納米帶，並發現其具有優異的儲鈉和儲鉀性能。[6]此外，該團隊還在非對稱超級電容器方面，使用Ti3C2Tx MXene為負極，碳納米管為正極，硫酸溶液和硫酸-對苯二酚混合液分別為負極和正極電解液，質子選擇性透過的Nafion膜為隔膜，構建了氫離子「搖椅」式非對稱超級電容器。此超級電容器具有1.6V的高工作電壓和62Wh/kg的高能量密度。[7] 近日，該團隊還通過將商用聚合物三聚氰胺泡沫塑料（MF）通過強大的氫鍵親和力浸入MXene油墨中，來構建可回收，靈活且導電的3D MXene-MF，從而實現無枝晶、穩定、高容量的鹼金屬負極。[8]此外，北京化工大學邱介山教授與大連理工大學王治宇教授團隊，哈爾濱工程大學曹殿學教授等諸多團隊近年來也在MXene儲能器件方面的研究取得了重要進展。
圖2. MXene基納米結構材料在不同金屬離子電池體系中的應用[9]
華北 地區
MXene作為一種新穎的二維材料自然受到廣泛關注，包括高校與研究所在內的很多研究機構均有研究人員參與MXene的研究。MXene的研究分布很大程度上取決於高校和研究所的分布。華北地區由於北京和天津的高校與研究所眾多，涉及到MXene研究的課題組也非常多。
MXene最初應用在超級電容器電極材料中，因此後續的很多研究也都集中在儲能領域。因此，將MXene作為電化學活性材料是常見的研究，也有不少研究人員另闢蹊徑，將其應用在鋰金屬枝晶的應對策略以及固態電解質中，並取得了良好的進展。其中，北京航空航天大學的楊樹斌教授課題組，近年來在MXene預防鋰枝晶以及MXene在固態電解質中的應用方面取得了一系列成果。早在2017年，該課題組就通過壓輥的方法將鋰金屬與MXene材料反覆擠壓形成layer-by-layer複合結構，該材料應用於鋰金屬負極時取得了良好的效果，有效預防了鋰枝晶的形成。[10]而後在此基礎上，該課題組又開創性的實現了鋰金屬在平行對齊的MXene層上的橫向生長使鋰金屬負極無鋰枝晶。[11]在此工作中，平行對齊的MXene(Ti3C2Tx)層不僅能有效引導鋰金屬在長徑比大的MXene納米片的表面上均勻成核，而且促進鋰金屬在MXene層上橫向生長，以此預防鋰枝晶的形成。此外，天津大學羅家嚴教授課題組也曾利用導電的、化學性能穩定的、比表面積大的3D MXene載體來大大降低電極的局部電流密度和調節電場，從而實現了鋰枝晶的調節。[12]MXene雖然具有較為廣泛的應用前景，但其在加工過程中的自堆疊特性依然是制約其發展的重要因素。天津大學楊全紅教授課題組基於多年的二維材料三維組裝的研究經驗，通過聚合物和離子交聯的方法實現了2D MXene的三維組裝，獲得了具有三維網絡結構的MXene凝膠。[13,14]由於高導電網絡以及高孔隙率的存在，凝膠在作為超級電容器電極材料中展現了良好的電化學性能。此外，華北地區也有其他很多課題組如北京大學郭少軍課題組，北京化工大學徐斌教授課題組，南開大學梁嘉傑教授課題組，燕山大學彭秋明教授課題組等等都在MXene儲能領域取得了令人矚目的進展。
近年來，MXene在電磁屏蔽，傳感器等諸多新興領域也展現了非常好的應用前景。2016年，Yury課題組初次製備MXene/SA複合薄膜應用於電磁屏蔽便一舉登上頂刊Science，從此MXene在電磁屏蔽領域的應用引起大家強烈興趣。隨後北京化工大學於中振教授和張好斌教授團隊利用水合肼發泡策略，對MXene進行了深度改性，製備得到了高導電MXene疏水泡沫，並展現了優異的電磁屏蔽性能。[15]這一工作也對後續諸多MXene改性以及MXene抗氧化方面的應用起到了很好的指導作用。同時，基於前期電磁屏蔽研究基礎，該課題組也利用MXene通過製備隔離結構，預先構築三維氣凝膠等策略在聚合物基體中構建了高效的導電網絡，進而實現了高性能聚合物基電磁屏蔽材料的製備。[16-18]近期，該課題組還在電磁屏蔽材料基礎上，利用MXene獨特的本徵物理性質，如熱電轉化，高電導率等，製備了一系列多功能性的MXene基電磁屏蔽材料。[19,20]其中北京交通大學李世波教授課題組通過控制關鍵工藝參數，縮短了製備MXene的時間（通常需要10多個小時），半小時內便快速製備了MXene。進一步對MXene表面修飾，獲得良好的電磁屏蔽和吸波性能。[21]北京林業大學馬明國教授課題組也在同期進行了一系列MXene電磁屏蔽性能的研究，其在2018年通過1D/2D 複合策略製備的高韌MXene/納米纖維素複合電磁屏蔽紙為此領域提供了良好的借鑑作用。[22]基於既有工作，該課題組繼續利用納米纖維素水分散液在乙醇中的溶劑交換和連續化自組裝性，可以實現長程有序、穩定的宏觀尺度複合納米纖維素/MXene膠體纖維的製備，實現了智能響應纖維和織物的製備。[23]
在環境領域，中國科學院高能物理研究所石偉群教授和華北電力學院王祥科教授在MXene環境化學應用，如核素吸附等開展了大量研究。而在傳感器領域，河南理工大學周愛國教授團隊也基於化學傳感器等研究取得了諸多成果。值得一提的是，周愛國教授於美國Drexel大學材料系獲得博士學位，2011年開始，在剝離MAX相製備新型二維材料MXene方面做了大量研究工作。周老師有很多早期中文研究工作非常有借鑑意義，有興趣的同學可以進行學習。
圖3.不同方法製備MXenes三維結構示例 [24]
華東 地區
與華北地區類似，華東地區高校研究所云集，進行MXene研究的課題組眾多，同時不同研究組也有很大差別。總體上看進行儲能研究的課題組仍居多數，如中國科學技術大學宋禮教授與陳雙明研究員團隊，從材料的結構優化設計出發，基於V2C等新型MXene製備了一系列的高性能電池電極材料，並利用同步輻射等先進的表徵技術，對這些材料的儲能機理進行深入研究，為材料的合理設計提供了很好的指導。[25]從結構調控的角度出發，浙江工業大學陶新永教授課題組開創性的通過有機物分子插層等方法發展了一種柱撐結構體系，從而可以對於多層MXene的層間結構進行精細控制，從而調控電化學存儲過程中的動力學。實驗證實這一體系無論是針對離子存儲還是金屬負極枝晶調控，都具有良好的效果。[26-28]山東大學尹龍衛教授則在分子尺度上構建MXene基異質結構從而優化分級結構得到高性能電極材料。[29-32]
想要獲得高性能的MXene基電化學儲能材料，高質量MXene的高效製備是重中之重。基於此點出發，中科院寧波材料研究所的黃慶教授團隊近年來發展了一種獨特的路易斯酸/鹼熔鹽法刻蝕MXene，製備了一系列的MXene材料，並展現了優異的電化學性能。該課題組前期發現Ti3ZnC2和Ti2ZnC在ZnCl2熔鹽中存在結構轉化：即位於MAX相A層的Zn原子被熔鹽中的Zn2+所攻擊，從A層抽離。熔鹽中Cl-進一步進入A層與Mn+1Xn亞層結合，形成Mn+1XnCl2（Ti3C2Cl2和Ti2CCl2）的結構單元並沿層間解離，得到MXene。
[32]為進一步發展更具普適性的熔鹽刻蝕方法，該團隊通過構建高溫熔鹽環境下陽離子與A元素的氧化還原電位/置換反應吉布斯自由能映射圖譜，提出了一種路易斯酸熔鹽刻蝕MAX相合成2D MXene的通用策略。此系列工作為MXene的製備，以及應用提供了非常重要的指導作用。[33]
圖4. PDDA-NPCN/Ti3C2異質結的SEM、TEM、EDS和AFM表徵結果。[29]
（來源：Energy Environ. Sci.）
除傳統電化學領域外，在新興應用領域，如光熱治療，中科院上海矽酸鹽研究所陳雨研究員和施劍林院士也取得了一系列重要進展。該團隊開展了二維MXene的多種類可控合成以及針對腫瘤診療的生物醫學應用的系統研究工作，這些工作涉及MXene本身的酶催化降解、MXene的體內外細胞吞噬行為、對多區近紅外光的響應、高效的光熱腫瘤治療、診斷性成像以及系統的生物安全性評價。[34-36]此外，諸如蘇州大學的耿鳳霞教授團隊在MXene及MXene量子點的製備與應用方面也取得了豐碩成果，復旦大學車仁超教授團隊在吸波領域也取得了重要進展，東南大學孫正明教授團隊在MXene二維電極材料的化學改性機理、多維度構築MXene水凝膠，MXene靜電自組裝領域都做了很好的研究工作。
華南 地區
由於獨特的地理位置，華南地區對於MXene的研究更多的體現在環境領域。華南理工大學王海輝教授近年來致力於研究並推廣MXene在環境領域的應用，如通過簡單的抽濾以及氫氧化鐵納米顆粒的造孔，成功製備出同時兼具高水通量和高選擇性的MXene分離膜，[37]以及具有高鹽截留率和高水通量的Al3+插層的二維MXene膜用於海水淡化。[38]
圖1. (a) 抽濾法製備MXene薄膜MXMs示意圖，(b) Al3+插層示意圖，(c-d) MXMs 和 Al3+-intercalated MXMs在乾燥條件下以及不同體系中層間距對比。[38]
此外，在能源轉化領域，該團隊還實現了一種基於帶相反電荷的具有納流控離子傳輸通道的Ti3C2Tx-MXene膜的滲透能發電機，這大大拓寬了MXene的應用領域。[39]此外，深圳大學張晗教授團隊則在MXene基光電子器件方面獨樹一幟，取得了重要進展。該課題組報導的Ti3C2製備而成可用於列印的穩定墨水，可以實現在各種不同類型基底上的列印，從而用於光纖雷射器和固體雷射器的可飽和吸收器件。[40]該課題組對於2D MXene非線性光學性能的研究在國內處於領先地位。
港澳地區也有不少團隊致力於MXene的研究，其中香港城市大學支春義教授課題組將MXene應用於水系鋅離子電池中，開發了獨特的相變致高能量密度水系鋅離子電極材料。香港理工大學郝建華教授團隊另闢蹊徑，通過電化學刻蝕的方法實現了無F製備MXene，並將製備產物MXene應用於鋅空電池和柔性鋅離子電池，[41,42]均取得了良好效果。
中部 地區
中西部地區雲集了四川大學，華中科技大學等諸多高效，科研實力可見一斑。據筆者了解，四川大學，華中科技大學，電子科技大學等高校不乏Yury Gogotsi教授課題組訪學或攻讀博士的青年教師任教，因此MXene的研究也處於百花齊放的狀態。
儲能領域，四川大學林紫鋒研究員與天津大學楊全紅教授，寧波材料所黃慶研究員團隊均有合作，該團隊有幾項重要工作都發表在Nat. Mater., Adv Funct. Mater.等頂級期刊上。西南交通大學楊維清教授課題組則基於界面化學調控，微觀結構調控等策略開發了MXene超級電容器，為MXene基超級電容器在晶片式電子器件和可攜式電子設備中的集成與應用提供了新的思路和策略。[43,44]此外，華中科技大學高義華教授團隊也曾成功製備了MXene基水凝膠用於自癒合超級電容器材料。[45]不僅在能源電化學領域有所建樹，高義華教授團隊也同樣致力於MXene基高性能傳感器的開發，該團隊基於壓阻傳感器進行了一系列的研究工作，2017年，該團隊應用原位透射電鏡，解釋了在微力作用下，MXene大的層間距能產生變化這一基本原理，為探測某些微弱生命活動的高靈敏和高柔性的力傳感器提供了工作機制和物質基礎。[46]隨後，該團隊又在ACS Nano， Nano Energy等頂級期刊上發表了其基於壓阻傳感的MXene基氣凝膠力學傳感器的研究工作。
除電化學儲能以及傳感器外，西北工業大學的殷小瑋教授團隊早期開創了MXene原位氧化輔助製備MXene/TiO2 以及MXene/CNT複合材料，通過異質結調控材料整體介電常數匹配從而實現了高效能吸波。[47,48]隨後，該課題組進一步通過包括硬模板法及冰模板法實現了微觀結構調控並製備得到了一系列具有優秀吸波性能的三維納米材料。[49,50]吸波和電磁屏蔽在新興的5G和6G通訊技術中扮演至關重要的角色，未來也是一重要發展分支，目前，電子科技大學的肖旭教授和文岐業教授正在開展MXene在5G和6G上的應用研究。
結 語
縱觀當前國內MXene的研究現狀，著實處於大熱狀態，而國內學者對於MXene的興趣日趨增加。整體來講，研究MXene的大部分團隊都分布在高校研究所集中的地區。而針對於MXene的研究領域甚至也會因地域而有所區別，但主流的研究仍然集中在能源存儲與轉換領域，其次便是（電）化學傳感器件以及環境響應性器件，再次為電磁屏蔽吸波等多功能複合材料，因此值得注意的是，近年來興起的光電器件，光熱轉換用於生物治療或海水淡化，MXene基濾膜等領域也是方興未艾，值得大家進一步關注。
另外，在一些高校分布較少的省份，也有涉及到MXene研究的課題組或團隊零星分布。但目前MXene前驅體MAX相材料的相對高價格，以及相對複雜的燒結工藝，可能也是制約MXene研究進一步普及的因素之一。此外，MXene的化學穩定性，仍然是令人望而卻步的影響因素之一，這也是很多相關領域人士認為MXene較之石墨烯為人詬病的方面。希望未來的一段時間，各個領域的學者與研究人員能夠真真正正的解決MXene量化生產以及穩定性的問題，以此將MXene推上另一個高峰！
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編者按：文章部分內容基於編者個人觀點，如有不符合科學事實之處歡迎指正批評。另由於涉及MXene研究的單位和團體過多，限於篇幅，文章中未及一一列出，有興趣同學可以自行進行查詢，拓展學習。