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2011年(nian)，新型二維層狀(zhuang)材料(liao)Ti3C2Tx被Barsumn和Gogotsi等(deng)人發現，為了表(biao)明此類材料(liao)是由MAX相剝離而(er)來，并且突出此類材料(liao)與石墨烯（Graphene）結構相似，因(yin)次將它們統(tong)一命名(ming)為MXene（邁科烯(xi)）。與石墨烯類似，MXenes（二維過渡金屬碳化物和氮化物）由于其優異的親水性和導電性、大的比電容和優異的電化學性能等，在電化學儲能中顯示出巨大的潛力。
小知識：MAX相和MXene材料。MAX相材料是由三種元素組成的天然層狀碳氮化物無機非金屬類材料：M是代表過渡金屬元素，A則是指主族元素，而X則代表碳或氮，其具有金屬的導電和導熱性質，也具備結構陶瓷的高強度、耐高溫、耐腐蝕等苛刻環境服役能力，通過化學液相法可以選擇性蝕刻掉MAX相中的A元素得到相應的MXene相。
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這類材料通式(shi)可表示為Mn+1XnTx，其中M代表過渡族金屬元素，X為碳、氮或碳氮，T代表制備過程中產生的表面官能團。這類材料被發現以來，科學家將其應用于各種領域，比如，儲能與轉換、傳感器、電磁屏蔽和生物醫學等領域。隨著先進制造和新材料的研發，二維層狀材料Ti3C2Tx備受關在傳感器，特別是在柔性材料的研究應用中展現了十分廣闊的前景。這是為啥呢？接下來小編帶你討論二維世界（Mxenes）在柔性傳感器中追捧原因。
消費電子產品、人工智能和(he)臨床醫(yi)學的快速發(fa)展使人們對柔性壓力傳感(gan)器的需求不(bu)斷增加，其性能主要依賴于具有高靈活(huo)性和(he)適(shi)當導(dao)電性的敏感(gan)材料。
1）Mxenes材料(liao)的優異的導電性
毫(hao)無(wu)疑問，MXene材料優異的導電性使其成為傳感器領域中重要的導電材料之一。這主要是由于MXene層狀結構中導電碳化物芯可以提供快速的電子傳輸路徑。理論計算表明，單層MXene具有接近費米能級的高電子密度。Ti3C2Tx的導電性與MAX相前驅體的合成工藝、刻蝕方法，以及MXene自身的尺寸、表面官能團（數量、分布、比例）、層間接觸電阻等密切相關。以氟化鋰和鹽酸混合液刻蝕的單層Ti3C2Tx缺陷少、橫向尺寸較大，測試其制成的薄膜可發現導電率高達6000～8000S/cm，比其他二維金屬硫化物/氫氧化物的導電性都要好。
與單層相比，由于測(ce)試方法和結構的(de)不同，多層MXene材料的導電率低很多，對于單個多層MXene顆粒來說，其平面內的電導率（24.1S/cm）遠遠高于垂直于基面的電導率（1.41S/cm）。
2）Mxenes材料的元(yuan)素選擇
由(you)于Mxene，通式可表示為Mn+1XnTx，其中M代表過渡族金屬元素，X為碳、氮或碳氮，T代表制備過程中產生的表面官能團。由于金屬元素(su)(su)和碳(tan)元素(su)(su)的(de)選擇眾多，使得Max材料的結構和命名也多種多樣吧，從而導致Mxene材料的選材眾多。因此，較多的元素選擇和結構可控使其在二維材料領域中獨占鰲頭，從而廣泛應用于其復合材料和傳感領域。截至2019年，如圖1所示，已經通過實驗制備得到了超過30多種MXene。
圖1.Max和MXenes的元素組成和結構
結構決定材(cai)料的性能。Mxene這種具有多種組分、表面功能化和厚度可控性的材料，使他它(ta)涵蓋了從金屬性、半(ban)導體性到拓撲絕緣的各(ge)種(zhong)電子性質。MXene的親水性(xing)和電導(dao)(dao)率與其(qi)表面官(guan)能團有關。大多數MXene具有金屬(shu)帶結(jie)構，而少(shao)數有望成為半(ban)導(dao)(dao)體。MXene的性(xing)質主要取決(jue)于過渡金屬(shu)原子、表面官(guan)能團和X元素。據(ju)預測，MXene中過渡金屬(shu)Sc和Y是半導體，而Ti、Zr和Hf需要二價氧終端才能有開帶隙。HF制備的MXene的電導率僅為1000S/cm，而HCl和LiF制備的MXene的電導率為4600S/cm。
目前，Ti3C2Tx薄膜的最高電導率為10000S/cm。熱處理和堿化處理是提高其電性能的有效方法。控制MXene的表面化學性質是獲得半導體或拓撲絕緣MXene的關鍵。
3）Mxenes材料的制備工藝(yi)
如圖2所示，Mxene制備方式眾多，包括：a）濕酸刻蝕；b）熔鹽腐蝕；c）過渡金屬硫化物滲碳；d）過渡金屬碳化物的氨化；e）水的腐蝕；f）UV-誘導蝕刻。因此，較多制備工藝導致其制備方式多樣，從而導致其材料性能可調，功能眾多。
圖2.Mxene的制備工藝
其(qi)中，廣泛并且常用的MXene的制備工藝是刻蝕工藝，你主要分為含氟刻蝕法和無氟刻蝕法兩類。含氟刻蝕法包括傳統氫氟酸刻蝕、氟鹽+酸刻蝕和二氟化合物刻蝕。無氟刻蝕法包括電化學刻蝕、水熱法堿刻蝕、路易斯酸熔融鹽刻蝕和無水刻蝕。
圖3.HF刻蝕MXene種類及Ti3C2Tx刻蝕方法發展時間軸
總(zong)結
在柔性傳感(gan)器領(ling)域，Mxene（Ti3C2Tx）有以下優勢：①是(shi)Ti3C2Tx密度小、質量輕；②是Ti3C2Tx由不同的元素組成，具有多個原子層的厚度，因此在不同片層方向上具有偶極子和空間電荷雙極化行為；③是在蝕刻過程中，表面官(guan)能基團與Ti結合形成Ti-O或Ti-F鍵，引入大量的缺陷，缺陷作為極化中心增強導電能力；④是由于(yu)碳原子層的存在，沿面內方向的電(dian)子遷移率較大(da)，在直流電(dian)場作用下會增強導電(dian)能力；⑤是多層結構及較(jiao)大(da)的比表(biao)面積(ji)利于電荷的密度，增強其(qi)導(dao)電能力(li)。這些獨特的優勢促使Mxene（Ti3C2Tx）逐漸成為目前柔性傳感器領域的研究熱點。
作者(zhe)：小陳(chen)
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