MXene是材料科学中的一类二维无机化合物。这些材料由几个原子层厚度的过渡金属碳化物、氮化物或碳氮化物构成。它最初于2011年出现，由于MXene材料表面有羟基或末端氧，它们有着过渡金属碳化物的金属导电性。在超级电容器、电池、电磁干扰屏蔽和复合材料等中得到越来越广泛的应用。例如与传统电池不同，该材料为离子的运动提供了更多的通道，大幅提高了离子运动的速度。

科学家们已经研究出了MXene材料，通常通过选择性地蚀刻主族元素A来从相应的MAX相合成衬底，其中M代表过渡金属，X代表碳或氮，主族元素A可以包括铝、镓、硅和其他元素。研究人员通常在氟化氢（HF）水溶液中执行蚀刻，以使MXene具有氟化物、氧和氢氧化物官能团的混合物。

与其他二维材料，例如石墨烯和过渡二卤化碳的表面不同，官能团也可以进行化学修饰。先前的研究表明，具有不同表面基团的MXene的选择性终止可以导致出色的性能，包括可调谐的功函数和二维铁磁性。底物的共价功能化将导致发现合理设计二维功能材料的新方向。

二维过渡金属碳化物中的表面官能团可以进行多种化学转化，以促进广泛的MXene材料的使用。最近，芝加哥大学和阿贡国家实验室的化学、物理学和纳米材料科学家组成的一个研究团队，设计和开发了一种新型的MXene合成途径。他们通过熔融无机盐中的取代和消除反应来安装和去除表面基团。该团队成功地合成了具有氧、亚胺基、硫、氯、硒、溴和碲表面末端的MXene，具有独特的结构和电子特性，这些表面基团还可以控制MXene晶格中的原子间距离，以显示依赖于表面基团的超导性。

如图所示MXene在熔融无机盐中的表面反应。（A）蚀刻酸性熔融盐中MAX相的示意图。（B）通过在熔盐中蚀刻MAX相而合成的MXene片的原子分辨率高角度环形暗场图像。（C）MXene片的能量色散X射线元素线扫描分析。所有比例尺均为1纳米。

通过在实验室中的熔融盐中蚀刻MAX相，科学家消除了不希望的氧化和水解反应，从而合成了新的MXene。使用高分辨率扫描透射电子显微镜（STEM）、拉曼光谱和X射线方法对样品进行表征，展示了氯化物（Cl-）和溴化物（Br-）封端的MXenes如何有效地参与新型表面反应。该工艺可以对MXene材料的表面化学、结构和性能进行前所未有的控制。

具有不稳定的（易于改变的）表面键合的基于氯化物和溴化物的MXenes可作为通用的合成子进行其他化学转化。MXene表面交换反应需要300摄氏度至600摄氏度的温度，这是传统溶剂难以达到的。因此，该团队在熔融液中使用了具有独特的高温稳定性和高溶解度的熔融碱金属卤化物。

为了了解材料的反应性，科学家们跟踪了使用Ti3C2Cl2薄板进行表面交换反应的过程。将MXene片堆叠在熔融盐中极大地帮助了离子的扩散。该研究结果表明，如何以独特的通用性设计出MXene的组成和结构，同时MXene的化学功能化几乎影响了材料的所有特性，并影响了MXenes中电子传输的性质。

研究指出，在6.0 K的临界温度下电阻率急剧下降，表明材料中发生了超导转变。相比之下，通过传统蚀刻路线（在HF水溶液中）制备的基于氧、氢氧化物和氟化物的MXenes表现出高两个数量级的电阻率，而未显示出超导性。

含氧封端的MXene的电阻率最高，而含硒封端的MXene的电阻率最低。从而，表面基团是MXene超导性的积极贡献者，影响了材料中的双轴应变、声子频率和电子-声子耦合强度。MXene交换反应颠覆了传统固体观点，通常认为固体很难在合成后进行修饰。通过广泛的表征研究，研究团队展示了如何合理设计扩展的MXene堆栈内部的化学键以形成广泛的功能材料。

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