逐个原子绘制MXenes的表面图，揭示了2D材料的新潜力

自德雷塞尔大学发现MXenes以来的十年里，称为MXenes的二维材料家族在海水淡化、储能、电磁屏蔽和电信等领域的应用前景广阔

尽管研究人员长期以来一直在猜测MXenes多功能性的起源，但德雷塞尔和加州大学洛杉矶分校最近领导的一项研究首次清楚地揭示了MXenes功能的表面化学结构

该团队还包括加州州立大学北岭分校和劳伦斯伯克利国家实验室的研究人员，他们使用被称为扫描隧道显微镜（STM）和扫描隧道光谱（STS）的先进成像技术绘制了碳化钛MXene的电化学表面形貌图，MXene是该家族中研究最多、使用最广泛的成员

他们的发现发表在《物质》杂志上，将有助于解释MXene家族成员表现出的一系列特性，并使研究人员能够为特定应用定制新材料

“MXenes的许多潜在结果来自于其丰富的表面化学，”该研究的主要作者、杰出大学博士、德雷塞尔工程学院巴赫教授Yury Gogotsi说，他的研究小组于2011年参与了材料的发现。

产生氢气，或从血液中清除尿素，是由形成其表层的原子引发的

先前的研究使用扫描电子显微镜（SEM）、二次离子质谱（SIMS）和尖端增强拉曼光谱（TERS）等技术对MXene表面的化学结构进行了较低分辨率的观察。这些工具提供了材料成分的间接读数，但几乎没有提供关于其表面组织复杂性的信息

相比之下，扫描隧道显微镜和扫描隧道光谱提供了关于材料表面结构的形状和组成以及其表面化学和性质的更直接的信息

这些工具使用一个非常锋利的探针，当它在平坦的表面上扫描时，它足够灵敏，可以区分一个原子和另一个原子。探针的尖端携带电荷，使其能够在经过时与每个原子相互作用；这种相互作用称为量子隧穿，提供了材料表面原子的信息。光谱扫描提供了有关原子和分子水平上的表面组成的信息。扫描结果被转换成图像，形成材料表面的地形图

Gogotsi说：“通过STM/STS，我们可以看到MXenes表面的原子排列，甚至可以用原子分辨率研究它们的电导。”。“这是理解为什么MXenes具有极端性质并在许多应用中优于其他材料的关键。这也应该有助于我们探索MXenes的量子性质，并为这一快速扩展的材料家族寻找新的机会。”研究人员表示，定位原子组（称为官能团）、识别它们并测量它们在表面上的性质，考虑到它们的特定位置和附着，都是理解MXenes如何与其他化学物质和材料相互作用的重要进展

“MXene表面在化学上是不均匀的。这既是它们有趣的原因，也是它们难以研究的原因，”加州大学洛杉矶分校杰出教授、加州大学校长Paul Weiss博士说，他与Gogotsi一起领导了这项研究。“我们相信这也是它们惊人性能的关键。然而，我们还不知道哪些化学功能对哪些应用很重要。”

该小组的STM/STS成像显示，MXene表面有10个纳米特征，可能是氧化钛团簇和较小的突起，排列成扭曲的六边形对称，他们认为这些突起是官能团，然后进行化学识别

这项研究的结果与之前关于碳化钛MXenes表面的理论、低分辨率显微镜和光谱数据一致，包括预测其表面是金属的。然而，该团队表示，深入了解表面缺陷及其异质性的性质是了解它们如何影响材料行为的重要一步

“在这项工作中，我们开始研究线程。我们能够成像并开始分配一些化学功能，”Weiss说。“MXenes最有趣的未知方面之一是它们的缺陷和异质性在其功能和环境稳定性中发挥了什么作用。我们现在开始探索这些作用。”

利用德雷塞尔材料科学家、加州大学洛杉矶分校和劳伦斯·伯克利国家实验室的STM小组以及加州北岭大学的理论科学家的集体专业知识，该小组将继续对材料进行严格分析，制定调整其化学成分的过程，以调整其功能以适应不同用途 More information: Atomic-scale investigations of Ti3C2T x MXene surfaces, Matter (2024). DOI: 10.1016/j.matt.2024.06.025. www.cell.com/matter/fulltext/S2590-2385(24)00344-8

Journal information: Matter