MXene作为一种新兴的二维材料，因其独特的物理化学性质和广泛的应用前景而备受关注。通过选择性刻蚀MAX中A元素制备MXene的方法存在两大问题：一是A层元素在刻蚀过程中被浪费并可能对环境造成污染；二是刻蚀后的MXene表面暴露，结构不稳定，容易氧化。这些问题限制了MXene的规模化制备和应用。近日，济南大学的原长洲教授团队提出了一种创新的气固反应（GSR）策略，直接从MAX相原位构建功能化多维MXene基复合材料。通过GSR系统，A层元素在MAX相中直接与气体反应物反应，生成A衍生物（ADs）并保留在MXene层间，形成紧密结合的复合材料。这种方法不仅避免了A元素的浪费和污染，还提高了MXene的结构稳定性。
前沿科研成果
基于气固反应从MAX相原位构建多维度功能化MXene基复合材料
图1 基于“气固反应”实现MAX相高效利用
（来源：Angew. Chem. Int. Ed.）
不同于传统的液相刻蚀，气相反应物的高扩散速率，高反应活性及多样性为MAX衍生材料的构筑提供了更多的可能性（图1）。而且，反应产物ADs的保留而非溶解为复合材料的构筑提供了机会。基于此，我们通过高效气固反应构筑了系列MAX衍生MXene基复合材料，如图2所示：
图2 多样化MXene基复合材料的制备
（来源：Angew. Chem. Int. Ed.）
AlF3纳米棒/MXene复合材料：通过HF气体与MAX相中的Al元素反应，成功在MXene层间生成了AlF3纳米棒，形成了1D/2D杂化纳米结构。这种结构不仅增强了材料的机械强度，还提供了丰富的活性位点（图3）。
AlF3纳米晶/MXene和无定形AlF3/MXene复合材料：研究发现，不同的MAX相基底会影响AlF3的结晶行为。例如，VNbC MXene基底促进了AlF3的结晶，形成纳米晶；而Nb4C3 MXene基底则抑制了AlF3的结晶，形成无定形结构。通过第一性原理计算分析不同ADs/MXene界面的能量和稳定性，揭示了界面能对晶体生长的影响机制；建立相应的模型来解释和预测实验结果，为进一步优化复合材料性能提供理论依据（图3）。
1D CNTs/MXene复合材料：利用含有Fe元素的MAX相作为前驱体，通过化学气相沉积（CVD）过程，成功在MXene层间生长出碳纳米管（CNTs），形成了独特的1D/2D结构。这些CNTs不仅提高了材料的导电性，还增加了比表面积（图4）。
2D层状金属硫属化物/MXene异质结构：通过气固反应，成功将Sn元素转化为层状金属硫属化物SnSe2，并与MXene形成复合材料。作为典型的层状半导体，SnSe2在储能、传感领域均显示出潜在应用价值，与层状MXene的复合所构筑Van der Waals异质结将有助于其性能提升（图4）。
3D MOF/MXene复合材料：以含有Zn元素的MAX相为前驱体，通过MOF-CVD策略，成功在MXene层间合成了ZIF-8等金属有机框架（MOF）材料。多孔MOF骨架为复合材料引入了丰富的孔隙结构和催化活性位点（图4）。
其它MXene基复合材料：为证实GSR的普适性，以Nb2CoC, V2ZnC, 甚至MAB (Mo2/3Y1/3)2AlB2)为前驱体构筑了系列复合结构如Co@CNTs/Nb2C, ZIF-67/Nb2C, ZIF-8/V2C, ZnO/V2C及 AlF3/(Mo2/3Y1/3)2B2)等。
图3 基于气固反应构筑AlF3/MXene复合结构
（来源：Angew. Chem. Int. Ed.）
图4 基于气固反应构筑CNTs/MXene、SnSe2/MXene及MOF/MXene复合结构
（来源：Angew. Chem. Int. Ed.）
电化学性能测试：对合成的ADs/MXene复合材料进行了电化学性能测试，结果表明这些复合材料在锂硫电池等电化学应用中表现出优异的性能。例如，AlF3/Nb2C MXene复合材料在锂硫电池中展现出双向催化活性，有效缓解了多硫化锂穿梭效应，提高了电池的循环稳定性和倍率性能（图5）。这得益于层间限域效应促进了ADs在MXene层间的有序生长和紧密结合，从而提高了复合材料的整体性能。同时，ADs的引入为复合材料提供了丰富的催化活性位点和高比表面积，进一步增强了其电化学性能。
图5 MXene基复合材料在锂硫电池中的应用
（来源：Angew. Chem. Int. Ed.）
总结：
作者通过气固反应体系设计及实验条件优化制备了系列MXene基复合材料，且验证了其在锂硫电池中潜在应用价值，为三元层状陶瓷MAX相的高效利用及层间限域反应的机制分析提供了可行策略。该工作以“In-Situ Construction of Functional Multi-Dimensional MXene-based Composites Directly from MAX Phases through Gas-Solid Reactions”为题发表在Angew. Chem. Int. Ed.（DOI: 10.1002/ange.202412898）上，济南大学材料学院副教授刘洋为第一作者，济南大学原长洲教授为通讯作者（论文作者：Yang Liu, Xinyue Gao, Maoqiang Shen, Yanhao Zhao, Xu Zhang, Sen Liu, Xuesen Liu, Linrui Hou, Changzhou Yuan）。
