MXene(過渡金屬碳化物/氮化物二維材料)
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拿一個 MAX 相——那種由硬質碳化板塊靠一層層柔軟金屬(如鋁)單平面黏合而成的層狀陶瓷——再用化學方法只把那些鋁平面溶掉。膠沒了,整疊就散成一堆鬆散、只有原子那麼薄的薄片。每一片就是一個 MXene,一種二維過渡金屬碳化物或氮化物。這個手法就像把一塊雲母劈成薄片、或從石墨上撕下石墨烯——只不過這裡的「撕」是用化學完成的:蝕掉一種原子,把其餘部分留成獨立的奈米片。
通式為 M(n+1)X(n)Tx:你從 MAX 相保留下來的 M-X 片,加上 Tx,也就是蝕刻劑在新暴露的表面留下的一圈表面基團(氧、羥基、氟)。旗艦材料 Ti3C2Tx 是把 Ti3AlC2 泡在氫氟酸中剝掉鋁而製成的。MXene 遲至 2011 年才在德雷索大學(Drexel)被發現。它特別之處在於:導電像金屬、親水(對二維材料而言不尋常)、暴露出極大的表面積,而它的金屬表面能透過快速反應儲存與釋放電荷。
MXene 之所以重要,主要在於功能而非結構:它們提供破紀錄的電磁干擾屏蔽、在超級電容器與電池中極高的儲電量、以及有用的感測與催化。老實說,這是一個年輕、快速發展的領域,也有真實的難題:MXene 在空氣與水中會隨時間氧化、劣化;表面基團 Tx 每一批都不同(所以「一個 MXene」是一整個可調的家族,而非單一固定材料);而標準的氫氟酸製程有危險。這股熱潮有很多是真材實料,但也有很多仍只是承諾,而非已證實的產品。
一層僅數微米厚的 Ti3C2Tx 薄膜,其阻擋電磁干擾的能力勝過同重量、厚得多的金屬箔,這正是 MXene 被研究用於屏蔽手機與衛星電子元件的原因。
把 MAX 相剝成二維薄片,就得到一種導電、親水、功能超乎尺寸的薄片。
MXene 不是單一材料,而是一個龐大家族,其表面終端基團(因而性質)取決於蝕刻方式;同一個名義組成,每一批的表現可能大不相同。