這種熱門二維材料大于7種金屬更好摻入

　　化學家們使一個熱門二維材料——MXenes家族成員數量翻了一番，甚至創紀錄地將9種金屬嵌進單一材料中。這為設計大量奇怪但有用的物質打開了大門。相關研究近日發表于《科學》。

　　MXenes家族此前就備受關注，它們具有高導電性，有朝一日可應用于下一代電池和防電磁干擾的涂層。此外，這種材料可以分散于水中，因此能被噴涂到物體表面。

　　2011年，美國德雷塞爾大學納米材料學家Yury Gogotsi團隊合成了有史以來第一種MXene——一種二維碳化鈦片。與標志性的二維材料石墨烯不同，MXenes包含多層金屬以及碳或氮原子，例如碳化鈦就是兩層鈦原子夾著一層碳。

　　但科學家們無法嚴格控制添加更多金屬后，哪些金屬最終進入哪些層。研究論文合著者、普渡大學材料工程師Babak Anasori說，由于原子的特性，某些金屬“喜歡”待在特定層中，比如一些總是跑到內層，而其他金屬則被拉到外層，因此，科學家們無法制造出內層或外層含有某些特定金屬的MXenes。例如，鉬喜歡放在在外層，而鈦喜歡被包裹，還有鎢、鋯等一些金屬難以摻入。因為材料傾向于原子結構，以最大限度地減少產生它所需的能量或焓。

　　直到2021年，Anasori團隊成功制備出含4種金屬的MXenes。這讓他們開始思考能否突破極限，摻入超過4種元素。合成含更多金屬的MXenes的一大障礙是無法確認復雜層狀材料的結構，也無法驗證各種金屬所處位置。2021年，Anasori團隊制備出含4種金屬的MXenes時就表示，“無法在原子精度說出做了什么”。因此，之后，Anasori、Gogotsi等人與波蘭盧卡西威茨科研網絡計劃的離子質譜專家Pawel Michalowski合作，通過從MXenes逐層去除原子，驗證材料的組成。

　　當研究人員用4到6種金屬制造MXenes時，他們觀察到了與以前類似的排序。例如，大部分鉬存在于外層，盡管在內層可以發現微量鉬。然而，當團隊將摻入的金屬增加到7種或更多時，金屬沒有按照通常的情況分層，而是均勻結合到每一層中，包括鎢在內的此前難以摻入的金屬也能絲滑融入。這是一個令人興奮的發展，因為二維材料中的鎢可能被用作制造氫燃料的催化劑。

　　Anasori解釋說，熵與焓在驅動有序-無序轉變中存在競爭機制，一旦MXenes中有7種或更多的金屬時，系統中的熵似乎會“戰勝”焓，使有序轉變為無序，因此更容易摻入其他成分。

　　相關論文信息：https://doi.org/10.1126/science.adv4415