MichelMXene诞生记
刘田宇 (Tianyu_Liu)
（美国加州大学圣克鲁兹分校化学与生物化学学院化学系）
MXene材料是一类具有二维层状结构的金属碳化物和金属氮化物材料，其外形类似于片片相叠的薯片。第一个MXene成员在2011年首次被美国德雷塞尔（Drexel）大学尤里·高果奇教授（Professor Yury Gogotsi）课题组合成出来。目前该类材料已在多个材料研究领域（如能源、光学、催化等）引发了全世界的关注。然而，关于2011年之前Gogotsi教授课题组如何逐步发现MXene的幕后故事，却少有问津。今年4月20日，利用在美国亚利桑那州凤凰城参加美国材料研究会春季年会的机会，我有幸采访到了同来参会的Gogotsi教授，并了解到他的课题组这些年在探索MXene的 “心路历程”。经得教授本人的同意后，我把我的采访记录整理出来，分享给大家。
以下是中 翻译稿，翻译过程中我尽量保持了原意。英 采访原稿请移步我的个人 站：
【同Yury Gogotsi教授的合影，摄于2017年4月20日，美国材料研究会春季年会，亚利桑那州凤凰城】
我：非常感谢您的时间和意愿来给我们分享关于MXene诞生的故事。那我们就从这个故事开始吧。
Yury Gogotsi教授（以下简称Y.G.）：大家可能知道，早期我组的研究方向是如何利用选择性刻蚀方法以制备二维材料。例如，我们关注过碳化硅这种材料。2006年，我组在Nano Lett.上发表的一篇 章中展示了一种通过将3C立方相的碳化硅须晶浸泡在氢氟酸和硝酸的混合溶液中，通过部分刻蚀碳化硅制得厚度仅为5-10纳米的碳化硅层状纳米片结构的方法。[1]
那时锂离子电池研究领域兴起了一股研究硅单质锂离子电池阳极材料的热潮。我组也加入了这股潮流。但我们关注的不是硅单质，而是一种含有硅的MAX材料。确切地讲，是一种化学式为Ti3SiC2的MAX材料。我们认为这种MAX材料可能是一种性能优异的锂离子电池正极材料，主要有这几点原因：1）它的导电性非常好；2）它含有硅层，而硅已被证实具有很好的锂离子存储性能；3）它具备层状结构，同传统的阳极材料，如石墨非常类似。此种结构利于锂离子嵌入和脱嵌。当我们想到了这个点子后，我便让我的一个学生，Murat Kurtoglu针对Ti3SiC2这种材料进行了密度泛函理论（DFT）计算。结果表明锂离子嵌入Ti3SiC2层间不是不可能的，因而Ti3SiC2理论上可以用作锂离子电池电极材料。不久之后我们向美国能源部（Department of Energy）的BATT（Battery for Advanced Transportation Technologies）项目投出了一份关于开发含硅MAX锂离子电池阳极材料基金申请。最终我们获得了该项目的基金支持，相关工作便得以立即展开。
由MAX或其他非MAX材料衍生出的二维层状材料在先前一直被认为是不存在的。若没有Michael的毅力并投身于一个看似不可能研究项目，我无法预知第一个MXene会在什么时候被 道出来。就在约一个月前，我们与新加坡的一个课题组合作发表了一篇论 表明目前尚有百万个MXene成员有待被合成出来。[5] MXene材料家族为众多领域：化学、材料科学、电池、超级电容器、光学器件、电子器件、催化剂、药学等等提供了许多可能。我非常高兴地目睹到了MXene材料崛起的过程。
我：您说到MAX不是一个很好的锂离子电极材料，能更进一步地解释吗？
Y.G.: 我们选择的这个MAX是很导电的，所以导电性不应该是问题所在。我觉得问题应该是MAX层间作用力太强而无法轻易分离或者容纳外部离子嵌入。但是在去年，我组在ACS Energy Letters上发表的一篇论 已经展示了MAX纳米粉末其实是具备存储锂离子活性的，但嵌入的离子一定要足够小。[6] 具体的机理我们还在研究。到底是嵌入反应机理还是转化反应机理，现在还不清楚。
我：您之前说到氟气和氟化氢气体没有成功刻蚀掉Ti3SiC2（但是氢氟酸溶液却成功刻蚀了Ti3SiC2）， 这是为什么呢？
Y.G.：同上个问题一样，我们对这其中的机理还不甚了解。有几种可能性：1）除硅以外的其他成分（如Ti）比硅溶解更快，或者同硅溶解速率相近，以致选择性刻蚀无法实现；（2）表面生成了保护膜。例如，过渡金属与氟化氢反应后可生成金属氟化物。如果该生成的氟化物在气相中难以挥发，则表面生成的这层氟化物膜会将整个MAX体相包裹住，阻止MAX和气相刻蚀剂的进一步接触、反应。这种观点可能不仅对Ti3SiC2适用，对其他含铝或者含锡的MAX同样成立：直觉表明利用碱溶液应该可以将MAX中的铝层或锡层溶解掉，但实际上碱溶液对他们没有刻蚀效果。
我：您提到了MXene的发现受到了锂离子电池的启发。作为一个超级电容器的科研者，希望您能谈谈您课题组是如何将MXene应用于超级电容器的。
Y.G.：这个故事涉及到我的另一个学生，Maria Lukatskaya。当我们制备出了第一个MXene并对此开展一系列工作的时候，Maria正在研究碳-金属氧化物复合超级电容器电极材料。那时，我的很多学生都想用MXene来做一些应用的工作。Michel Barsoum教授称之为“MXene漩涡”。这个漩涡把周围很多人都吸引过来了。
我：如果人们称您为“MXene之父”，您会接受吗？
我：所以这是“团队的胜利”。最后我想问一个关于您研究专业之外的问题。对于那些刚进入实验室不久的研究生们，您有什么建议可以提供给他们参考的吗？
【参考 献】
[1] Cambaz, G. Z.; Yushin, G. N.; Gogotsi, Y.; Lutsenko, V. G., Anisotropic Etching of SiC Whiskers. Nano Letters 2006, 6, 548-551.
[2] Anasori, B.; Lukatskaya, M. R.; Gogotsi, Y., 2D metal carbides and nitrides (MXenes) for energy storage. Nature Reviews 2017, 2, 16098.
[3] Naguib, M.; Presser, V.; Tallman, D.; Lu, J.; Hultman, L.; Gogotsi, Y.; Barsoum, M. W.; Zhou, Y., On the Topotactic Transformation of Ti2AlC into a Ti-C-O-F Cubic Phase by Heating in Molten Lithium Fluoride in Air. Journal of the American Ceramic Society 2011, 94 (12), 4556-4561.
[4] Naguib, M.; Kurtoglu, M.; Presser, V.; Lu, J.; Niu, J.; Heon, M.; Hultman, L.; Gogotsi, Y.; Barsoum, M. W., Two-Dimensional Nanocrystals Produced by Exfoliation of Ti3AlC2. Advanced Materials 2011, 23 (37), 4248-4253.
[5] Tan, T. L.; Jin, H. M.; Sullivan, M. B.; Anasori, B.; Gogotsi, Y., High-Throughput Survey of Ordering Configurations in MXene Alloys Across Compositions and Temperatures. ACS Nano 2017, DOI: 10.1021/acsnano.6b08227.
[6] Xu, J.; Zhao, M.-Q.; Wang, Y.; Yao, W.; Chen, C.; Anasori, B.; Sarycheva, A.; Ren, C. E.; Mathis, T.; Gomes, L.; Zhenghua, L.; Gogotsi, Y., Demonstration of Li-Ion Capacity of MAX Phases. ACS Energy Letters 2016, 1 (6), 1094-1099.
[7] Urbankowski, P.; Anasori, B.; Makaryan, T.; Er, D.; Kota, S.; Walsh, P. L.; Zhao, M.; Shenoy, V. B.; Barsoum, M. W.; Gogotsi, Y., Synthesis of two-dimensional titanium nitride Ti4N3 (MXene). Nanoscale 2016, 8, 11385-11391
[8] Lukatskaya, M. R.; Mashtalir, O.; Ren, C. E.; Dall'Agnese, Y.; Rozier, P.; Taberna, P. L.; Naguib, M.; Simon, P.; Barsoum, M. W.; Gogotsi, Y., Cation Intercalation and High Volumetric Capacitance of Two-Dimensional Titanium Carbide. Science 2013, 341 (6153), 1502-1505.
[9] Ghidiu, M.; Lukatskaya, M. R.; Zhao, M.-Q.; Gogotsi, Y.; Barsoum, M. W., Conductive two-dimensional titanium carbide 'clay' with high volumetric capacitance. Nature 2014, 516, 78-81.
[10] Lukatskaya, M. R.; Bak, S.-M.; Yu, X.; Yang, X.-Q.; Barsoum, M. W.; Gogotsi, Y., Probing the Mechanism of High Capacitance in 2D Titanium Carbide Using In Situ X-Ray Absorption Spectroscopy. Advanced Energy Materials 2015, 5, 1500589.
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