具有均匀且可控卤素端基的三相合成MXenes

这种新材料配方为何重要

电子设备、电池甚至无线设备的性能，都取决于电子在材料中移动的难易程度。一类有前景的超薄材料——MXenes，已经表现出极好的导电性，并且可以为多种用途量身定制，从能量存储到为电子设备屏蔽干扰。但到目前为止，化学家难以精确控制这类材料最外层的原子层——它相当于电子的“交通规则”。本文提出了一种在MXenes表面精确排列卤素原子的全新生长方法，大幅提升了其电学性能，并为更可靠、可调的器件打开了大门。

把金属剥成原子薄片

MXenes由一种称为MAX相的母体材料中刻蚀出特定层制成，MAX相由过渡金属与碳或氮形成键合，并带有可去除的“A”层，例如铝或硅。当A层被蚀去后，剩下的是一叠富含自由电子的金属原子薄片，使得MXenes成为优良的导体。然而，薄片表面的裸露金属原子不会维持无修饰状态；它们会迅速被小的化学基团封端，称为表面端基。这些端基决定了电子在每层内部以及相邻薄片之间如何移动。传统的合成方法通常基于强酸液体，会在表面留下氧、羟基、以及氟或氯的混合，这种无序会俘获和散射电子。

用于更清洁表面的三相配方

作者引入了一种新的“气–液–固”（GLS）蚀刻方法，对MXene表面最终的组分提供了更好的控制。在该体系中，MAX晶体与熔融的卤化钾盐接触，而周围空间充满碘蒸气，形成三相相互作用。熔融盐溶解碘并生成活泼的互卤素物种，这些物质温和地去除A层，同时向暴露的金属原子提供卤素离子（氯、溴或碘）以完成封端。反应结束后，用简单的乙醇冲洗即可去除副产物和残留盐，而无需使用强氧化剂。该工艺避免了不希望出现的氧端基并保持了MXene薄片的结构完整性，得到原子有序且仅由卤素构成的表面。

把无序变为顺畅的电子通道

以碳化钛MXene（Ti₃C₂）为模型，团队展示了他们可以制备出分别由氯、溴或碘均匀封端的样品。包括原子分辨质谱和电子显微镜在内的先进结构探测表明，卤素原子在MXene的两侧形成单层、清洁的覆盖层，层间几乎没有杂质。电学测试显示出这种原子级整洁带来的收益。与通过旧方法制得并带有混合氯/氧表面的可比MXene相比，氯封端的Ti₃C₂的体电导率约高出160倍，太赫兹频率下的电导率约高出13倍。时间分辨太赫兹测量进一步表明电荷载流子移动更自由、不易被俘获，而计算机模拟则可视化出在均匀封端晶格上更顺畅的电子路径。

按需混合与匹配表面原子

除了单一卤素涂层外，GLS方法还允许在同一MXene表面上精细控制不同卤素的混合。通过混合不同的熔融盐，研究者制备出氯、溴和碘的双重甚至三重封端组合，并通过简单的配方变化调节它们的比例。计算表明，这类混合端基表面不仅可以稳定，在某些情况下其能量上甚至比单一卤素更有利。由于MXenes的表面化学不仅强烈影响导电性，还影响其与光、电磁波及其他分子的相互作用，这一水平的可控性成为定制材料以实现特定功能（例如针对性电磁波吸收带）的有力手段。

对未来技术意味着什么

本质上，这项工作表明仅通过精心安排MXenes外层的一层原子，就能将其从良好导体转变为异常高效的电子高速公路。GLS方法提供了一条通用且可规模化的路线，以制备具有干净且可定制卤素涂层的MXenes，提升导电性、在空气中的稳定性，并为后续改性提供可调性。对非专业读者而言，关键信息是：化学家找到了一种以前所未有的精度“重接线”这些超薄材料外壳的方法，使我们更接近于为下一代电子、传感器和能源器件定制化组件。

引用: Li, D., Zheng, W., Ghorbani-Asl, M. et al. Triphasic synthesis of MXenes with uniform and controlled halogen terminations. Nat. Synth 5, 516–526 (2026). https://doi.org/10.1038/s44160-025-00970-w

关键词: MXenes, 表面端基, 卤素化学, 电导率, 二维材料