说起新型二维材料，你会想到哪些呢？该不会大概只知道石墨烯吧！那个著名的“胶带剥离石墨薄片的实验”，至今16年之久啦。

这期间各种新型二维材料相继问世，石墨炔(GDY)、MXene、黑磷(BP)等，逐渐赶超“老大哥”石墨烯，跃居材料界的热门前沿。其中，“MXene材料”发现于2011年，是继石墨烯之后最受关注的二维纳米材料之一，近年来发展迅速，已成为材料、能源、催化、环保、传感等诸多领域研究的“网红材料”，堪称成为材料领域的又一匹黑马。

近日，韩国科学技术院的研究人员开发出一种方法，可利用纳米材料 MXene 的磁阻特性预测其分子分布情况，从而为简化质量控制和批量生产铺平道路。这项研究还强调了基于霍尔散射系数的 MXene 的多种应用。研究人员利用附着在 MXene 表面的分子的磁传输特性开发了一个分析模型。性能预测和分类系统的建立有望用于生产统一质量的 MXene。

什么是“MXene”材料？

MXene是一种金属层和碳层交替的二维纳米材料，具有高导电性，可与各种金属化合物结合，是一种可用于半导体、电子设备和传感器等各种行业的材料。2011年由德雷塞尔大学Yury Gogotsi教授课题组合成出来。MXene材料具有类金属的导电性、良好的亲水性和机械稳定性，因而在电化学储能、电磁屏蔽、电催化、传感器等领域都有良好的应用前景。近年来关于MXene的研究呈现爆发式增长，并频频登上各大研究领域顶刊。

ACS Nano，Adv. Mater.，Adv. Funct. Mater.等顶级期刊有诸多关于MXene的报道，在Science以及Nature子刊等顶级学术期刊上，关于MXene的报道已有多篇。在谷歌学术以“MXene”为关键词进行检索，2012年文章数量为292篇，而截止到2022年9月，文章数量达到16700篇，MXene材料以这种井喷式增长在纳米材料领域占据越来越重要的位置。

MXene材料与石墨烯的差别有哪些？

MXene与石墨烯在晶体结构上存在巨大的差异，因为石墨烯归属于碳单质一类，而MXene材料是众多过渡金属碳，氮，以及碳氮化合物的简称。

他们同为厚度在纳米级别的层状薄片，这一点也体现在MXene的命名上，-ene。

不同于石墨烯材料，MXene家族包含的MXene个体是极具多样性的。十几种可利用的过渡元素以及他们之间特定组合，以及其与C、N或C/N的配位以及表面官能团的调控极大地丰富了MXene的种类。

得益于高温可控的CVD制备工艺，石墨烯的晶化程度可控性和丰富性是远胜于MXene的。当前MXene材料的大规模制备仍依赖于传统的湿化学刻蚀工艺，导致材料中不可避免的各种晶体缺陷，比如点空位。

现阶段关于MXene的主流研究仍然集中于能源转换与存储方向上，将MXene用作锂/钠离子电池、锂-硫电池和超级电容器等储能器件的电极材料，是当前研究的热点。其次是电化学传感器以及环境响应性器件，在电磁屏蔽吸波、光电器件、光热转换用于生物治疗等多功能复合材料方向也开始涉及，MXene的研究已经迎来了春天！

要正确利用 MXene，必须了解其表面覆盖的分子类型和数量。如果表面覆盖的分子是氟，导电性就会降低，电磁波屏蔽效率也会降低。然而，由于 MXene 的厚度只有 1 纳米（纳米--十亿分之一米），即使使用高性能电子显微镜也需要几天时间才能分析出表面的分子，因此直到现在还无法进行大规模生产。

分析 MXene 表面的突破性进展

韩国科学技术院印韩科学技术中心（IKST）主任 Seung-Cheol Lee 领导的研究小组开发出一种方法，可以利用 MXene 的磁阻特性预测表面分子的分布情况。利用这种方法，可以通过简单的测量来测量 MXene 的分子分布，从而实现生产过程中的质量控制，这有望为迄今为止无法实现的大规模生产开辟道路。

研究小组根据导电性或磁性会随表面附着的分子而改变这一观点，开发了一套二维材料特性预测程序。因此，他们计算了 MXene 的磁传输特性，并成功地分析了 MXene 表面在常压和室温下吸附的分子类型和数量，而无需任何额外装置。

预测的 MXene 霍尔散射系数。资料来源：韩国科学技术院

霍尔散射系数及其应用

通过使用开发的特性预测程序分析 MXene 表面，可以预测影响磁传输的霍尔散射系数会因表面分子类型的不同而发生显著变化。霍尔散射系数是描述半导体材料电荷携带特性的物理常数，研究小组发现，即使制备相同的 MXene，霍尔散射系数的值也为 2.49，其中氟最高，氧为 0.5，氢氧化物为 1，从而分析出分子的分布情况。

霍尔散射系数根据数值的不同有不同的应用，如果数值低于 1，可应用于高性能晶体管、高频发生器、高效传感器和光电探测器，如果数值高于 1，则可应用于热电材料和磁性传感器。考虑到 MXene 的尺寸仅为几个纳米或更小，适用设备的尺寸和所需功率都可以大大缩小。

结论与未来展望

IKST 主任 Seung-Cheol Lee 说："与以往侧重于纯 MXene 生产和特性的研究不同，这项研究的意义在于它提供了一种新的表面分子分析方法，可以轻松地对制造的 MXene 进行分类。通过将这一成果与实验研究相结合，我们期望能够控制 MXene 的生产过程，从而用于大规模生产具有统一质量的 MXene"。

文章来源： 乐研品牌，cnBeta，先丰纳米，