《武汉工程大学学报》  2023年01期 15-24   出版日期:2023-02-28   ISSN:1674-2869   CN:42-1779/TQ
新型二维材料MXene及MBene合成的研究进展


自从2004年单层石墨烯被发现以来,以石墨烯为代表的各类二维原子晶体材料由于具有丰富多样的物理、化学性质,并且在电子器件、光电器件、催化和能源领域表现出广阔的应用前景而受到研究人员的广泛关注。在规模庞大的层状材料家族里,每一单层中的原子之间是通过共价键或者离子键等强相互作用连接在一起,而层与层之间则通过范德瓦耳斯力或者氢键等弱相互作用链接形成块状晶体。因此,层与层之间就较容易剥离形成二维片层。人们往往可以采取机械力、离子插入辅助液体或选择性刻蚀液体剥离[1]等方法来剥离形成二维片层结构。
2011年,一种二维材料家族的新成员——过渡金属碳/氮化物MXene被Gogotsi团队用氢氟酸(HF)合成出来[2],如图1(a)所示,这为各个领域的研究人员提供了一个崭新的研究方向。由前期过渡金属碳化物,碳/氮化物组成的MXene通常通过从Mn+1AXn相中选择性地蚀刻出A层来制备(MAX相的结构可以描述为二维Mn+1AXn由A层交错的亚晶格,其中M是前期过渡金属,A是A-基团,X是C/N[3]),如图1(b)所示,并通过超声或者有机溶剂插层处理剥离得到二维的MXene(Mn+1Xn,n=1,2,3)。在MAX相的M-X键主要是混合共价/金属键特性,而M-A键是金属键特性[4],因此MAX层之间的键不易被机械破碎[5]。由于M-A键比M-X键弱,可以选择性地刻蚀M-A键以刻蚀掉A层原子[6]。MXene的特性使其成为能量储存[7]、环境应用[8]、有机分子吸附[9]、光催化[10-11]、超级电容器[12-13]、电磁吸收[14]和离子交换[15]应用的有希望的候选者。迄今为止,合成出来的MXene约有20种,包括Ti2C、Nb2C、V2C、Mo2C、Ti3C2、Zr3C2、Hf3C2、Ta4C3、Ti4N3、Nb4C3、Ti3CN、(Ti0.5V0.5)2C、(Mo2Ti2)C3、(Ti0.5Nb0.5)2C、(V0.5Cr0.5)3C2、(Nb0.8Ti0.2)4C3、(Nb0.8Zr0.2)4C3、Mo2TiC2、Mo2Ti2C3和Cr2TiC2[5,15-18],在众多合成出来的MXene中,二维过渡金属碳化物Ti3C2-MXene的研究最为广泛,此外,二维过渡金属氮化物[19-21]、硼化物[22]同样也是研究的热点,但是,由于合成的复杂性,鲜有这方面的合成报道。
随着MXene合成方式的不断发展,有机溶剂逐渐被应用于刻蚀过程中。2020年,美国德雷塞尔大学的Barsoum在有机极性溶剂无水环境中蚀刻,合成二维Ti3C2Tz MXene[23],取得了重要进展。研究表明,可以在极性有机溶剂和二氟化氢铵溶液中蚀刻MAX相,而不需要用水就可以得到F-端的MXenes。这为MXenes在许多水敏应用领域的研发开辟了道路,如能源储存、聚合物复合材料、量子点支架等。
对于这种新型二维材料,合成只是最基础的一步,研究人员都在致力于合成性能更好的MXene以及MBene。它们除了拥有所有其它二维材料所具有的优异的结构和物化特性外,MXene同时还具有其众多的独特的性质[23]。蚀刻和剥离过程导致层状表面具有丰富的O、OH和F基团官能团,而这些官能团赋予MXene很多优异的性能。本文主要对MXene及MBene的合成、剥离和研究现状进行了综述。
1 二维过渡金属碳/氮化物(MXenes)
自2011年Gogotsi团队第一次使用HF溶液刻蚀MAX相材料成功制备出二维材料MXene后,已经有越来越多新MXene的合成逐渐被报道,包括新的合成方法,如图2所示。以三元Ti3AlC2 MAX相为刻蚀前驱体,简单介绍文献中几种常用的合成Ti3C2-MXene的方法,每种方法合成的Ti3C2-MXene都有各自的优缺点以及适合的使用情况。以研究最为广泛的Ti3C2-MXene为例,综述近年来出现的合成方法。不过,在室温(25 ℃)下以HF溶液为蚀刻剂从其相对应的MAX相中选择性地蚀刻A层是迄今为止制备MXenes最常用的方法,蚀刻得到的粉末后处理插层通常是通过将其浸入二甲基亚砜、四丁基氢氧化铵(tetrabutylammonium hydroxide,TBAOH)、醇、氢氧化胆碱或正丁胺中来完成[5,24-25]。由于MXene具有出色的电化学特性,所以人们一直致力于将MXene用于电池[26]和超级电容器电化学能量存储[27];最近,MXene作为可再生能源,以及环境领域的光催化剂和电催化剂而备受瞩目[28-32]。研究人员也一直在探索MXenes的合成、性能和潜在应用。
1.1 氟化物介导的刻蚀
在使用HF溶液刻蚀Ti3AlC2 MAX相除去Al的研究中,文献中所报道的大多数合成方案都是使用质量分数为10%或50%的HF[2,24,33],无论是使用低浓度的HF还是高浓度的HF,都可以得到类似手风琴状的Ti3C2,但不同浓度的酸所需刻蚀时间有所差异以及晶面的腐蚀情况会不同。不过由于HF是一种有剧毒的化学药品,所以在使用HF时,应该按照实验规范安全使用。此处介绍Gogotsi团队使用质量分数为50%的HF的方法来刻蚀[2]。
实验中以Ti3AlC2粉末为前驱体,以质量分数为50%的HF溶液为刻蚀液。在室温(约25 ℃)下以聚四氟乙烯内衬为反应釜,在5 min内加入0.5 g MAX相前驱体粉末,加入的同时使用磁动力搅拌,并且持续搅拌反应22 h,之后用约1 000 mL的去离子水在3 500 r/min下离心5 min,洗涤反应后的悬浮液,直至pH值达到6为止,取最后得到的沉淀物在60 ℃真空干燥箱中干燥20 h,即可得到类似手风琴状Ti3C2Tx,用T表示表面官能化,Tx代表官能团。
根据得到产物的结果分析,Gogotsi合理地得出结论:当Ti3AlC2浸入HF中时会发生以下简化反应:
Ti3AlC2+3HF→AlF3+Ti3C2+1.5H2↑ (1)
Ti3C2+2H2O→Ti3C2(OH)2+H2↑ (2)
Ti3C2+2HF→Ti3C2F2+H2↑ (3)
在从Ti3AlC2[式(1)]HF蚀刻Al之后,得到的二维Ti3C2形成具有O、OH和F官能团的多层Ti3C2Tx[式(2)和式(3)],如图3所示。表面的官能团赋予了MXene亲水性,同时也使得更容易与其它表面建立相互作用。目前常用有机化合物对Ti3C2Tx进行插层和剥离处理,使MXene的层间距即轴的晶胞参数(c-LPs)扩大。研究人员测试了多种有机化合物对MXene的剥离效果[33],发现二甲基亚砜(DMSO)做为嵌入有机分子再进行超声处理被认为是将多层MXenes薄片剥离成单层或几层MXenes的最有效方法之一。借助于插层剂,这将扩大Ti3C2Tx-MXene的层间距,有利于以MXenes做为基板的复合材料的研究。
但是,刻蚀条件如刻蚀的温度、时间和MAX相颗粒大小都会影响到MXenes的尺寸和质量。每一种变量都值得去验证到底是如何影响的。大多数MXenes实验刻蚀温度都是在20~35 ℃之间,在此方面,Liu课题组研究了温度对MXenes的影响[34],发现在0~65 ℃刻蚀的条件下几乎都能将Al层刻蚀掉,但是,对于官能团Tx会有很大的不同,主要在于官能团的种类。
除了用HF刻蚀得到MXenes之外,2014年,研究人员报道了使用原位HF蚀刻剂如NH4HF2[35]或LiF/HCl [18]混合物刻蚀的方法。与HF溶液刻蚀相比,经NH4HF2刻蚀后[图4(a,b)]表现出了更高的热稳定性,即在较高的温度下也能够较好地保证层状结构;而LiF/HCl刻蚀后得到的MXene则表现出更好的导电性能。但Ti3C2Tx经LiF/HCl刻蚀后具有黏性,类似黏土状[图4(c,d)],故也称为黏土刻蚀。这两种方法都可以避免直接使用高浓度的HF溶液,是目前较环保与安全的刻蚀方法。后文将介绍文献中的这两种不同的原位刻蚀方法。
1.2 二氟化物介导的蚀刻
NH4HF2与直接使用HF溶液的方法相比,NH4HF2是一种更温和的刻蚀剂[35],其危害更小。首先,在搅拌的同时将0.5 g Ti3AlC2粉末添加到装有10 mL的2 mol/L NH4HF2反应釜中[36],并在室温(约25 ℃)连续搅拌24 h,与之前洗涤的方式类似,用总量约1 000 mL的去离子水多次洗涤直至pH=6,收集最后一次洗涤后的沉淀物,在60 ℃的真空干燥箱中干燥20 h,收集干燥的粉末并充保护性气体储存。
根据Halim等假定在上述反应过程中会发生如下的反应:
Ti3AlC2+3NH4HF2→(NH4)3AlF6+Ti3C2+1.5H2
(4)
Ti3C2+aNH4HF2+bH→(NH3)c(NH4)dTi3C2(OH)xFy
(5)
通过微观对比观察到在c轴方向上有膨胀,表明NH4HF2与HF刻蚀不同,层间距得到了扩大。但究竟是阴离子还是阳离子起的作用还不确定,通过对HF刻蚀后的MXene加入到NH4OH或者NH4F中进一步反应,观察到c轴同样能够膨胀,说明阳离子的嵌入有利于扩大c轴[35]。Halim假设上述反应式成立,在反应式(5)中涉及到NH3和NH4+的层间嵌入,高分辨率XPS光谱测试图谱验证了猜想的正确性。这都表明阳离子的插入对层间距的扩大起到了作用。
1.3 氟化物盐蚀刻剂
在2014年,Ghidiu团队[18]发现了一种新的高产率的MXene合成方法,即使用LiF/HCl混合物刻蚀的方法。这种方法比HF蚀刻更安全,更容易,并且阳离子的嵌入有利于层间距的增大。使用该技术合成的Ti3C2Tx亲水性能好,具有优异的导电性和高体积电容的特点,是锂离子电池和超级电容器方面的研究热门对象。
在使用氟化物盐进行合成时,用于制备原位HF的LiF和HCl的浓度会影响Ti3C2Tx的尺寸和质量。根据Ghidiu等[18]的报道,LiF/HCl刻蚀的方法首先是将LiF溶解在6 mol/L HCl中,之后保持40 ℃恒温,缓慢加入Ti3AlC2粉末,在持续搅拌下加热混合物45 h来制备。刻蚀完成后,用去离子水离心重复洗涤数次后可以得到黏土状糊状物。真空过滤后在真空条件下干燥可以得到厚的膜。
与NH4HF2溶液刻蚀方法的结果类似,阳离子在LiF/HCl混合溶液刻蚀法中嵌入到MXene中,使得层间距增大。同时,在文献[18]中,Ghidiu还提到了其它氟化物与HCl混合溶液成功蚀刻得到MXene[18],这表明质子和氟离子的存在对于蚀刻过程起重要作用。在阳离子存在的条件下刻蚀允许阳离子进入中间层并使层间距离更大,并且溶液中氟离子的含量较少且无副产物,易于洗涤去除杂质。
除了上述广泛使用的湿法刻蚀外,许多文献中还报道了其他选择性去除A元素的方法,但是产生不了MXene相。比如在真空下加热MAX相[37]、浸入液态金属[38],或熔盐[23,38],或在55 ℃时用无水HF处理[39],这些方法都不能成功得到二维MXenes材料,但是不同体系的MAX相材料刻蚀的方法有所不同,例如HF可以刻蚀得到Ti3C2Tx,但不适用二维过渡金属氮化物的蚀刻。
在湿法刻蚀MAX相的报道中,报道的多是碳化物和碳氮化物MXenes,氮化物MXenes不能在酸性溶液中从MAX相中刻蚀出来[40-41],阻碍了二维过渡金属氮化物的发展。到目前为止,研究人员基本清楚了不能刻蚀的原因。根据Urbankowski[42]团队的猜测,湿法刻蚀氮化物MXenes的失败可能是由以下2个原因造成的:①Tin+1Nn的结合能小于Tin+1Cn的结合能,而来自Tin+1AlNn的Tin+1Nn的形成能大于从Tin+1AlCn形成的Tin+1Cn[43],较低的结合能表明Tin+1Nn结构的稳定性较低,而Tin+1Nn较高的形成能表明Tin+1AlNn中的金属Ti与Al原子结合更强,因此需要更多的能量才能使金属键断裂,导致刻蚀比较困难[5];②形成的Tin+1Nn MXenes的稳定性较低,在刻蚀溶液HF中不能够稳定的存在,导致Tin+1Nn溶解在HF溶液中[5]。但是,与碳化物相比,氮化物MXenes仍有潜在的优势,二维过渡金属氮化物具有更高的电子传导率[44],因此它们是用于电化学电容器电极的合适候选者[45];同时基于计算结果,已经预测到的Ti4N3与O、F、OH表面官能基团具有较高的密度状态,易于与其它表面建立联系。但是,迄今为止公布的二维金属氮化物MXenes的数量只有Ti4N3、Ti2N[42,46]、MoN[47]以及氮化镓[48]。在实验上合成出更多优异性能的二维过渡金属氮化物需要进一步研究。
首先介绍Urbankowski团队成功合成Ti4N3Tx的方法。在惰性气体氩(Ar)气氛下,在熔融氟化物盐中加热Ti4AlN3来合成[48],合成示意图如图5(a)所示。将Ti4AlN3粉末与氟化物盐混合物以1∶1的质量比混合。氟化物盐混合物包含质量分数59%的氟化钾(KF)、质量分数29%的氟化锂(LiF)和质量分数12%的氟化钠(NaF),然后将该混合物放入氧化铝坩埚中,在550 ℃下将混合物在氩气气氛中加热30 min[49],如图5(b)所示为冷却后的形貌。待混合物冷却后,为了溶解含Al的氟化物,可以将氮化物和盐的混合物在4 mol/L H2SO4中持续搅拌洗涤1 h,然后用去离子水冲洗混合物,以3 500 r/min的转速离心2 min[49],收集沉淀物。用去离子水冲洗并重复离心,直至离心管中上清液的pH值大于或等于6,真空干燥最后得到的沉淀物称为多层Ti4N3Tx MXene。
<G:\武汉工程大学\2022\2022-06工程\Image\李 能-5.tif>[Ti4AlN3][ a ][ b ][多层Ti4N3Tx][分层Ti4N3Tx][KF
NaF
LiF][550 ℃][结束][声波降解][TBAOH
][ c ][2 μm][200 nm][Ti][Al][N]
图5 (a)Ti4AlN3蚀刻示意图[49];(b)熔融盐处理Ti4AlN3在550 ℃下在Ar气氛下30 min后的SEM图;(c)氧化铝滤料上的少量层状Ti4N3Tx颗粒的SEM图及薄片分散在水中时的丁达尔效应[46]
Fig. 5 (a) Etching schematic diagram of Ti4AlN3;(b)SEM image of molten salt treated Ti4AlN3 at 550 ℃ for 30 min
under Ar flow;(c)SEM image of few-layered Ti4N3Tx
particle on an alumina filter substrate(The inset in (c) shows the Tyndall effect for delaminated flakes dispersed in water)[46]
通过X射线衍射、拉曼光谱和透射电子显微镜表征证实了从Ti4AlN3中选择性蚀刻Al原子并在层状六方Ti4N3中保留了Ti-N键[49]。为了将多层Ti4N3Tx MXene分层为几层和单层薄片,可将得到的粉末与TBAOH混合处理,并通过超声、离心收集处理后的上清液,经过滤后可以收集到较小的Ti4N3Tx分层薄片。与迄今合成的所有其他MXenes一样,去除Al并不会改变氮化物层的平面结构[49]。
根据Soundiraraju团队的最新报道[50],他们已经成功合成出了Ti2N-MXene[46]。之前的研究中已经表明了HF刻蚀的失败[51],所以,在确定实验方案前,Soundiraraju团队研究了多种不同溶液方案进行刻蚀,最终确定使用KF-HCl混合物溶液进行实验。首先将6 g KF溶解在100 mL 6 mol/L HCl中制备成KF-HCl混合物溶液,然后将2 g MAX相粉末Ti2AlN在室温下浸入20 mL KF-HCl混合物溶液中3 h,并将悬浮液在40 ℃下继续加热1 h,同时进行超声处理以促进剥离和嵌入。将混合溶液移至离心管用去离子水清洗,以3 500 r/min的转速离心5 min,以去除可溶性氟化物。重复离心过程直到上清液的pH值接近6,收集最后的沉淀物。
基于实验过程以及表征结果,Ti2AlN与KF-HCl混合物可能发生如下反应[50]:
2Ti2AlN+6KF+6HCl=2Ti2NTx+K3AlF6+AlCl3+
3KCl+3H2↑ (6)
2Ti2AlN+6KF+6HCl=2Ti2NTx+2AlF3+6KCl+3H2↑ (7)
Tx代表O、OH或F官能团,为了得到少层Ti2NTx,可以使用有机物进行插层,将得到的粉末中加入异丙醇或二甲基亚砜,进行超声、离心处理,调至相应的转速长时间离心得到上清液,将上悬浮液真空过滤并干燥以收集少量Ti2NTx。
与文献[48,50]中合成二维过渡金属氮化物的方法不同的是,Zhou课题组[52]在氨中用二维六方氧化物来还原生成二维氮化物,成功合成了MoN[52],合成过程如图6所示。Zhou课题组采用的是盐模板法即NaCl涂层二维六方MoO3(2D h-MoO3)[53]。合成过程分3步:首先将0.4 g Mo粉末分散在30 mL乙醇中,并用磁力搅拌器搅拌30 min。然后,将1.4 mL的质量分数为30%的H2O2溶液滴加到上述悬浮液中。磁力搅拌48 h,溶液变为蓝色后,再将预制的前体溶液与640 g NaCl粉末搅拌混合并在50 ℃下干燥。在Ar气氛下以2 ℃/min的升温速率升到280 ℃时,将制备的前体退火2 h来制备2D h-MoO3@NaCl[53]。然后将制作的2D h-MoO3@NaCl在NH3(体积分数为5%)和Ar的混合物下以1 ℃/min的升温速率在650 ℃下进一步退火5 h[52]。冷却至室温后,用去离子水多次洗涤产物,除去产物中溶解的NaCl,最后将形成的悬浮液在2 500 r/min离心20 min即可收集到含MoN的上清液。
<G:\武汉工程大学\2022\2022-06工程\Image\李 能-6.tif>[2D h-MoO3@salt][2D MoN@salt][洗涤][氨化][650 ℃][2D MoN]
图6 二维MoN合成原理图
Fig. 6 Schematic diagram of synthesis of 2D MoN
2 二维过渡金属硼化物(MBenes)
虽然在之前的报道中已经成功合成一系列的MXene材料,但是仍少有二维过渡金属硼化物的实验的报道。到目前为止,已经合成了超过20个MAB相(其中M是过渡金属,A是III?A或IV?A族,B是硼),并且所有这些相都被证实具有分层结构性质[54-55]。与MAX相材料相似,MAB相材料中的MB层与A层交替堆垛排列,且M-A的键强明显弱于M-B键,表明二维过渡金属硼化物可以通过化学剥离MAB相材料中的A层获得,Sun课题组首先利用密度泛函理论计算并预测了以“M2AlB2”型MAB相(包括Cr2AlB2、Mo2AlB2、W2AlB2和Fe2AlB2)为前驱体的二维过渡金属硼化物(Mo2B2和Fe2B2)可通过HF处理Mo2AlB2获得,并将其命名为“MBene”[56]。
随着研究的深入,最近的研究表明,在Cr-Al-B体系中,MAB相通式为(CrB2)nCrAl (n?=1,2,3)表现出层状晶体结构[54,57],由于这种层状结构,Zhou课题组首次报道了通过室温下在稀盐酸(HCl)中从Cr2AlB2中选择性蚀刻Al来合成2D CrB纳米片[57]。
Zhou课题组制备前驱体Cr2AlB2粉末的原料是CrB粉末(CrB粉末并不是2D结构,由Zhou课题组在实验室合成)和铝(Al)粉末。首先使用研钵和研杵将CrB和Al粉末混合,Al粉是过量的,然后压成直径为30 mm的颗粒状。加入过量的Al粉为了补偿高温蒸发时的损失,这是在MAX相的高温合成期间补偿IIIA或IVA元素损失的常见方法[58]。在具有石墨加热元件的炉子中进行Cr2AlB2粉末的合成,在流动的氩气氛下,将粉末颗粒以10 ℃/min的升温速率加热至1 170 ℃,并在该温度下保持2 h,然后分别在1 000、900和800 ℃下继续退火1 h,以完成整个合成过程。待冷却至室温后,再用研杵将颗粒压碎成粉末。使用稀HCl溶液除去过量的Al,然后在去离子水中洗涤离心后的粉末多次,再将合成好的Cr2AlB2粉末浸入1.25 mol/L的HCl溶液中以选择性地蚀刻出Cr2AlB2结构内的Al层来制备二维CrB纳米片[57]。经反复清洗、离心后去除杂质,干燥后收集到2D CrB,如图7所示。
从表征的SEM形貌可以看出,经HCl蚀刻之后图7(b)出现了非常清晰的层状结构,中间层相对图7(a)有了明显的剥落,说明了该实验方案的可行性。虽然目前尚不清楚纳米CrB片形成的机理,但是,从化学反应上讲,与其它液体蚀刻反应类似,可能的反应可以描述为:
Cr2AlB2+3HCl=Cr2B2+AlCl3+1.5H2↑ (8)
在实验中观察到的气泡似乎也验证了化学反应式(8)的正确性。该实验的结果表明了从分层的MAB相前体制备2D纳米片的可行性。
由于Al及其氧化物和氢氧化物的两性特性,酸性和碱性条件都可以将Al从结构中除去。Ryland使用多种试剂对M2AlB2(M为Cr,Mn,Fe)进行了刻蚀,并对产物进行了分析比对(表1),为化学刻蚀MAB制备MBene开拓了思路[59]。更多的理论研究也为合成二维过渡金属硼化物指明了方向。总之,该实验以及已有的理论为合成大量设计和制备二维过渡金属硼化物的2D纳米片提供了大门,为研究人员合成2D MBenes指明了方向。
3 结论与展望
新型二维材料由于其具有独特的2D层状结构及优异的导电特性,以及最近新表现出来的光电催化特性,正成为研究人员研究的热门材料。经过数年的发展,特别是最近几年,这类二维过渡金属材料已经成功合成了近20种,由最初的HF溶液刻蚀得到Ti3C2Tx发展到现在的水热法碱刻蚀合成无氟高纯度的Ti3C2Tx,制备技术的发展也让MXenes的应用得到进一步的研究。并且新的合成技术和工艺不断向前发展也推动着新体系例如二维过渡金属氮化物及MBene的发展,为更广泛的应用打下了基础。
本文主要综述了不同的合成MXenes的方法,以及使用有机溶剂对MXenes进行插层剥离得到少层MXenes的处理方式。对不同应用方面的MXenes材料介绍了不同的制备路径。同时,也介绍了最新合成的具有参考价值的2D CrB,为后续的开发应用奠定了前提。但是,到目前为止,MXenes和MBenes仍处在实验研究阶段,距离大规模应用仍有很长一段的距离,作为一类新型的材料,由实验室走向应用的过程需要时间。通过对本文的总结,对制备和合成MXene及MBene给出了一些建议,希望可以为科研工作者带来一点启发。
(1)自Ti3C2Tx通过HF合成后,这类二维材料一直都受到研究人员的关注,到目前为止,通过不同的方法合成出近20种,但是,在理论证实MAX或MAB相可被蚀刻的情况下,仍有很多不能通过已有的实验方案刻蚀出来,因此科研工作者需要寻求更好的刻蚀方法,随着科学技术的发展及设备的进步,相信会有越来越多的、性能更好的MXenes和MBenes被设计出来。
(2)MBene的制备方式多为选择性化学刻蚀法,现在常用的刻蚀剂多为HF及HCl等酸性刻蚀剂,但对于A为铝的MAB相,NaOH等碱性刻蚀剂也不失为一种新的选择,其碱性特点将提供与HF等截然不同的功能。除此之外,通过机械剥离及化学沉积法制备MBene仍需要进行实验及分析。
(3)新型的剥离刻蚀法——有机溶剂剥离法。目前蚀刻方法大多以水为主要溶剂,限制了MXenes在水敏应用中的直接使用。随着在无水情况下,在二氟化氢铵存在的情况下,使用有机极性溶剂来蚀刻和脱层MXenes的成功,未来有机溶剂在MXene的制备中的应用前景值得期待。
(4)材料稳定性的问题:在实验过程中发现MXenes材料不稳定,以Ti3C2Tx为基板进行材料复合实验时,表面容易氧化,导致二维结构表面性能差。同时,通过插层剥离得到的二维材料的层间距很大程度上也能够影响实验的结果。所以合成性能优异的材料仍然是科研工作者努力的方向。
(5)材料的应用问题:由于这类二维材料是近几年才出现的,纵然这类二维材料具有很多优异的性能,但它的一些性能如催化特性,目前以理论模拟和计算居多,需要进行大量的实验数据进行支撑,同时其它的特性也需要大量的实验来验证。