第2章 MXene的结构和性能
2.1 MXene的结构
从一开始，模型对于MXenes的结构和性质的研究起到了重要的作用。实际上，最初的ML-MXene的结构是-OH终止Ti3C2层，并在此基础上，出现了密度泛函理论（DFT）模拟。
图3.1 a）Ti3C2Tx的结构示意图 b） Ti3C2Tx的场发射扫描电镜图错误！未找到引用源。
MXene仍是MAX相的六方晶体结构，空间群为P63/mmc，过渡金属原子与碳或氮原子按照M/X……M的顺序依次交替排列，碳或氮原子位于过渡金属原子形成八面体的中心［M6X］，如图3.1a）所示。溶液刻蚀法制备的MXene 表面一般附有-O、-F和-OH等官能团，理论计算预测这些官能团位于Hollow2位置时，结构最稳定。有关人员利用理论计算结合实验的方法证明了MXene的表面主要是-OH，其次是少量的-O和-F，通过真空高温退火，可以减少-F和-OH，形成-O官能团的MXene。图3.1 a）即为F/O位于Hollow2位置时，Ti3C2Tx的结构示意图，根据相关研究结果显示，其晶格参数a= 0.30505 nm，c= 1.986 nm。 可以清楚地从图3.1 b）的扫描电镜图看到MXene的片层形貌。高分辨透射电镜下也观察到了“拱形”和“卷轴”形貌的Ti3C2Tx，这些是二维晶体所具有的典型形貌特征。研究人员利用紧束缚密度泛函理论研究了MXene纳米管。纳米管的半径越大，管壁越薄，Tin+1Xn和Tin+1XnTx纳米管结构越稳定，且均表现出金
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属特性。
虽然理论预测MXene具有中温抗氧化性，另有研究发现：在1150℃的空气气流中，Ti3C2Tx在5s内即被氧化，形成TiO2碳纳米复合材料。水热和CO2气氛（在150℃到500℃范围）也能将MXene氧化。说明MXene抗氧化能力不及碳材料，使用过程中需气氛保护。
2.2 插层和分层
插层是许多层状常见的现象材料的量，层与层之间的键是不很强，如石墨和粘土。同样，在MXenes中，在M之间的弱键N+1XN层允许在Ti3C2各层之间插入不同的物质（有机或无机分子）的插入。在MAX相阶段，N（EF）是以M3d轨道为主。参看Ti2AlC（图3.1），很明显，由于杂交Ti3D-C2P和Ti的3d-Al系3S轨道EF组装成两个子带：子带A，这是邻近EF并且由杂交的Ti的3d-Al系3P轨道；子频带B，低于EF-10-3伏特之间。
研究发现N2H4·H2O等有机小分子可以插层Ti3C2Tx、TiNbCTx、Ti3CNTx错
误！未找到引用源。，增大MXene层间距。其中，二甲基亚砜（DMSO）插层Ti3C2Tx
后，经超声波处理，可完全分层得到像“纸”一样形貌的纳米Ti3C2Tx薄片（≤5层Ti3C2Tx），而插层之前Ti3C2Tx的厚度大约有10层左右。浸泡在常见的酸碱盐溶液中，Li+、Na+、Mg2+、K+、NH+4和Al3+等阳离子可自发进入Ti3C2Tx层间错误！
未找到引用源。，引起c轴方向不同程度的膨胀，电化学性能得到大幅提高。插层
和分层是改性粘土的重要方法之一，从结构和性能上看，MXene是一类“导电亲水粘土”，因此，制备有机插层MXene复合物和“MXene纸”是未来研究的重点。
2.3 MXene的电学、磁学、热电、力学和光学性能
MXenes的电学特性是特别值得研究的，因为他们可以在本质上，通过改变MXene元素组成或它们的表面终端进行调整。MXenes的“带结构和电子密度（DOSS）”已被广泛研究。裸露的MXene单层被预测为具有高电子密度的近费米能级的金属。值得注意的是，电子邻近DOT费米能级（N（EF））裸单体MXene层比比其母题MAX阶段更高。为了更深一步的了解这些改变，我们需要检查部分电子密度状态（如图2.2所示）。
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图2.2 从MAX相除去Al后，Ti2AlC，Ti2C，Ti2CO2和Ti2C（OH）2总体和部分的DOS能态密度，及产生MXene的变化，并通过改变温度在MXene表面终止做进一步的修改
理论计算表明，大多数MXene为导体，导电性主要由过渡金属的d轨道电子贡献。同族元素Ti、Zr和HF对应的含氧MXene，Ti2CO2、Zr2CO2和HF2CO2为半导体，能隙分别是0.24 eV、0.88 eV和 1.0 eV。此外，Sc2CF2、Sc2CO2和Sc2C（OH）2为半导体。官能团的种类、温度、应力和MXene的层厚对MXene的导电性均能造成不同程度的影响。先关理论研究结果表明:Tin+1Cn和Tin+ 1Nn（n =1～9）均具有磁性，官能团化后大部分MXenes磁性消失。但是，官能团化前后Cr2C和Cr2N都具有良好的铁磁性。计算方法不同，MXenes磁性性能存在差异，如利用LDA理论预测Ta2C和Ta4C3分别为无磁性和反铁磁性材料，而利用PBEsol方法预测二者分别为反铁磁性和无磁性。此外，应力也可以改变MXenes的性能，如随着拉伸应力的增大，无磁性的MXenes会发生磁性转变。研究员等利用玻尔兹曼（Boltzmann）理论结合密度泛函理论发现，室温下Mo2CF2具有较大的塞贝克系数S、较低的载流子密度和较高的电导率σ，因此功率因子（S2σ）
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较大，是一种良好的电热材料。MXene半导体在400 K下的塞贝克系数S均大于100 μV/K，有望成为一类新型热电材料体系。通过HF或NH4HF2刻蚀外延生长的纳米Ti3AlC2片可制备透明导电MXene薄膜，当厚度为19 nm时，MXene薄膜对可见光-紫外线范围的透光性可达90%。此外，理论计算表明，MXene的弹性模量与单层MoS2相当，弯曲刚度大于同原子层厚度的石墨烯。毛姆等利用高分辨电子能量损失谱结合从头算的方法研究了Ti3C2的介电响应，预测通过改变层厚和官能团，二维Ti3C2表面等离子体可调控在中红外的能量范围，使得MXene有望应用于红外热成像和化学传感器等领域。
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