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2011年，新型二維層狀材料Ti3C2Tx被Barsumn和Gogotsi等人發現，為了表明此類材料是由MAX相剝離而來，并且突出此類材料與石墨烯（Graphene）結構相似，因次將它們統一命名為MXene（邁科烯）。與石墨烯類似，MXenes（二維過渡金屬碳化物和氮化物）由于其優異的親水性和導電性、大的比電容和優異的電化學性能等，在電化學儲能中顯示出巨大的潛力。
小知識：MAX相和MXene材料。MAX相材料是由三種元素組成的天然層狀碳氮化物無機非金屬類材料：M是代表過渡金屬元素，A則是指主族元素，而X則代表碳或氮，其具有金屬的導電和導熱性質，也具備結構陶瓷的高強度、耐高溫、耐腐蝕等苛刻環境服役能力，通過化學液相法可以選擇性蝕刻掉MAX相中的A元素得到相應的MXene相。
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這類材料通式可表示為Mn+1XnTx，其中M代表過渡族金屬元素，X為碳、氮或碳氮，T代表制備過程中產生的表面官能團。這類材料被發現以來，科學家將其應用于各種領域，比如，儲能與轉換、傳感器、電磁屏蔽和生物醫學等領域。隨著先進制造和新材料的研發，二維層狀材料Ti3C2Tx備受關在傳感器，特別是在柔性材料的研究應用中展現了十分廣闊的前景。這是為啥呢？接下來小編帶你討論二維世界（Mxenes）在柔性傳感器中追捧原因。
消費電子產品、人工智能和臨床醫學的快速發展使人們對柔性壓力傳感器的需求不斷增加，其性能主要依賴于具有高靈活性和適當導電性的敏感材料。
1）Mxenes材料的優異的導電性
毫無疑問，MXene材料優異的導電性使其成為傳感器領域中重要的導電材料之一。這主要是由于MXene層狀結構中導電碳化物芯可以提供快速的電子傳輸路徑。理論計算表明，單層MXene具有接近費米能級的高電子密度。Ti3C2Tx的導電性與MAX相前驅體的合成工藝、刻蝕方法，以及MXene自身的尺寸、表面官能團（數量、分布、比例）、層間接觸電阻等密切相關。以氟化鋰和鹽酸混合液刻蝕的單層Ti3C2Tx缺陷少、橫向尺寸較大，測試其制成的薄膜可發現導電率高達6000～8000S/cm，比其他二維金屬硫化物/氫氧化物的導電性都要好。
與單層相比，由于測試方法和結構的不同，多層MXene材料的導電率低很多，對于單個多層MXene顆粒來說，其平面內的電導率（24.1S/cm）遠遠高于垂直于基面的電導率（1.41S/cm）。
2）Mxenes材料的元素選擇
由于Mxene，通式可表示為Mn+1XnTx，其中M代表過渡族金屬元素，X為碳、氮或碳氮，T代表制備過程中產生的表面官能團。由于金屬元素和碳元素的選擇眾多，使得Max材料的結構和命名也多種多樣吧，從而導致Mxene材料的選材眾多。因此，較多的元素選擇和結構可控使其在二維材料領域中獨占鰲頭，從而廣泛應用于其復合材料和傳感領域。截至2019年，如圖1所示，已經通過實驗制備得到了超過30多種MXene。
圖1.Max和MXenes的元素組成和結構
結構決定材料的性能。Mxene這種具有多種組分、表面功能化和厚度可控性的材料，使他它涵蓋了從金屬性、半導體性到拓撲絕緣的各種電子性質。MXene的親水性和電導率與其表面官能團有關。大多數MXene具有金屬帶結構，而少數有望成為半導體。MXene的性質主要取決于過渡金屬原子、表面官能團和X元素。據預測，MXene中過渡金屬Sc和Y是半導體，而Ti、Zr和Hf需要二價氧終端才能有開帶隙。HF制備的MXene的電導率僅為1000S/cm，而HCl和LiF制備的MXene的電導率為4600S/cm。
目前，Ti3C2Tx薄膜的最高電導率為10000S/cm。熱處理和堿化處理是提高其電性能的有效方法。控制MXene的表面化學性質是獲得半導體或拓撲絕緣MXene的關鍵。
3）Mxenes材料的制備工藝
如圖2所示，Mxene制備方式眾多，包括：a）濕酸刻蝕；b）熔鹽腐蝕；c）過渡金屬硫化物滲碳；d）過渡金屬碳化物的氨化；e）水的腐蝕；f）UV-誘導蝕刻。因此，較多制備工藝導致其制備方式多樣，從而導致其材料性能可調，功能眾多。
圖2.Mxene的制備工藝
其中，廣泛并且常用的MXene的制備工藝是刻蝕工藝，你主要分為含氟刻蝕法和無氟刻蝕法兩類。含氟刻蝕法包括傳統氫氟酸刻蝕、氟鹽+酸刻蝕和二氟化合物刻蝕。無氟刻蝕法包括電化學刻蝕、水熱法堿刻蝕、路易斯酸熔融鹽刻蝕和無水刻蝕。
圖3.HF刻蝕MXene種類及Ti3C2Tx刻蝕方法發展時間軸
總結
在柔性傳感器領域，Mxene（Ti3C2Tx）有以下優勢：①是Ti3C2Tx密度小、質量輕；②是Ti3C2Tx由不同的元素組成，具有多個原子層的厚度，因此在不同片層方向上具有偶極子和空間電荷雙極化行為；③是在蝕刻過程中，表面官能基團與Ti結合形成Ti-O或Ti-F鍵，引入大量的缺陷，缺陷作為極化中心增強導電能力；④是由于碳原子層的存在，沿面內方向的電子遷移率較大，在直流電場作用下會增強導電能力；⑤是多層結構及較大的比表面積利于電荷的密度，增強其導電能力。這些獨特的優勢促使Mxene（Ti3C2Tx）逐漸成為目前柔性傳感器領域的研究熱點。
作者：小陳
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