“乱花渐欲迷人眼, 浅草才能没马蹄”, MXene材料自2011年被报道之后, 逐步受到材料科学家的青睐, 近年来在储能、催化、环境、吸波、生物治疗和高性能复合材料等领域都涌现出一系列重要突破, 令人目不暇接。为了及时跟踪该新兴二维无机材料的研究进展, 《无机材料学报》编辑部组织了本期特邀专题评述。虽然已有一些有关MXene的优秀综述文章, 但针对性更强的专题评述类文章还比较少。为此, 我们特意邀请了活跃在MXene研究前沿并取得重要进展的专家, 请他们讲述MXene研究的心得体会, 并指出存在的问题和挑战。

合成是MXene研究的基础, 也是决定其最终物理化学性质的根本。所有的MXene材料研究都涉及到如何得到这种新型二维材料, 目前几乎90%以上的研究都会采用含氟刻蚀剂的化学方法将MAX相转变为MXene。该方法简单易行, 特别适合在常规化学实验室中操作。路易斯酸熔盐刻蚀的方法是近年来发展出来的非溶剂化学刻蚀方法, 非常适用于调控MXene表面端基。“化学剪刀”结构编辑策略提出后进一步丰富了MXene材料表面化学和晶体结构, 为定制化合成该二维无机材料提供了全新思路。MAX相作为传统的结构与功能一体化材料, 在高温应用方面的潜力巨大, 但是其层状结构的增韧特性并没有得到很好的诠释。刘增乾团队通过巧妙的实验设计得到具有类贝壳微观结构的MAX相/镁合金复合材料, 大幅度提高了材料的强度和韧性, 但调控界面润湿和结合强度仍是未来研究的重点。程群峰团队近期在高性能MXene纳米复合材料研发上取得了突破性进展, 提出界面协同概念提高复合材料的致密度, 并认为未来应该更加关注大面积、高效率、规模化的MXene复合材料制造技术。阿卜杜拉国王科技大学Alshareef团队撰文论述了MXene电子学应用研究, 并特别指出MXene诸多关键物理化学性质（如亲水性、功函数可调、表面端基可控、导电、特征离子激元和电磁相互作用等）对于未来电子器件研究的重要意义。沈国震团队也介绍了MXene材料在柔性光电探测器中的研究现状, 特别指出半导体型MXene是最终实现器件应用的关键。汪德高团队回顾了MXene作为添加剂对于新型薄膜太阳能电池的作用, 二维MXene可以在界面处调控能带、光吸收效率和电传输等, 对发展高光电转化效率光电器件有积极的作用。张传芳团队则介绍了面向电子器件和能源应用的MXene油墨印刷技术, 其中特别强调MXene材料的环境稳定性和封装技术是需要关注的难题之一。MXene具有类金属导电性和手风琴状结构, 因此在应力调控下具有电阻变化的响应特性。高义华团队详细介绍了MXene压力传感器的研究进展, 同时也提及了几种新型传感机制, 如电容式传感、摩擦电式传感、压电式传感、电池式传感和纳米流体传感等, 在未来的“电子皮肤”应用领域很有发展前景。MXene材料与电磁波之间的相互作用引起了广泛研究兴趣, 如电磁屏蔽相关研究等。于石墨烯材料相比, MXene固有的亲水性使得终端应用（如涂层和聚合物复合材料）更加方便, 韩美康团队最新工作显示MXene在红外波段具有结构可控的辐射特性, 尤其是改变晶格元素、端基组成和层间距可显著影响红外响应, 有望发展成全新的红外波段物理器件。肖旭团队最新工作发现MXene在全太赫兹波段能够实现理论极限50%的吸收率, 并指出高载流子浓度和超快弛豫时间是其在太赫兹宽频均一响应的关键因素。未来太赫兹技术在探测、成像、通信等领域会发挥越来越重要的作用, 因此MXene材料也将受到越来越多的关注。MXene在储能领域的研究一直以来都是热点, 支春义团队阐述了用于锌离子电池的MXene阴极、阳极和电解质/隔膜的最新进展, 讨论了离子插层调控、表面接枝修饰、杂原子掺杂、层间距控制等手段的作用。这些研究思路对于其它离子电池研发都具有很好的借鉴意义。

《无机材料学报》编辑部向所有受邀专家们表达最诚挚的谢意, 相信这些文章中的真知灼见能够对MXene研究起到积极的促进作用, 也会对孜孜以求的研究生们提供有益的帮助；同时还要感谢诸位无私的审稿专家, 他们的专业意见和建议为这一期的评述文章增色不少。

“两岸猿声啼不住, 轻舟已过万重山”。就在这一期特邀专题评述的出版过程中, 科学界又不断涌现出更多更新的MXene科研成果, 不少是围绕本专辑提及的难点和挑战提出了新的见解, 并逐步深入到基础的合成化学机制和新奇的物理行为研究。我们期待在各界同仁的共同努力下, MXene材料能为材料科学界带来更多惊喜。

受到生物基因工程中“基因剪刀”的启发, “化学剪刀”作为一种重要的研究工具在材料结构编辑及应用研究中发挥着重要作用。本文对“化学剪刀”在材料结构编辑及应用方面的研究进展进行了评述。首先, 介绍了“化学剪刀”的概念和基本原理, 即指在保持初始材料主结构不变的条件下, 通过化学反应敲除、置换、修复或重构目标原子或结构单元, 从而定制化编辑材料晶格中的组成元素、晶体结构以及微观形貌, 最终实现特定的材料结构与功能。随后, 详细回顾了“化学剪刀”在材料结构编辑中的具体应用, 即如何利用化学剪切、化学修饰、化学合成和化学刻蚀与化学插层等结构编辑方法对材料结构进行精确调控和功能设计。最后, 对“化学剪刀”未来在材料结构编辑及应用的研究方向进行了展望。本评述详细介绍了“化学剪刀”在材料结构编辑及应用研究方面的研究进展和巨大潜力, 为探索和开发“化学剪刀”在材料领域的应用提供了有力的理论和实验支撑, 并有望推动相关材料领域的发展。

开发新型低维材料在太赫兹电磁屏蔽与吸收领域的应用是一个极为重要的研究方向, 低维材料以其独特的电学、力学与电磁响应而有望创造出更加高效的电磁屏蔽与吸收方案。二维过渡金属碳化物、氮化物与碳氮化合物MXenes在低频波段已经展示出优异的电磁屏蔽与吸收性能, 尤其是MXenes兼具高电导率、低密度、高柔性等特点, 有利于未来太赫兹器件便携化与系统集成化。然而, 将MXenes太赫兹电磁屏蔽与吸收材料推向实际应用过程中, 面临着附着稳定性、环境稳定性、不耐高温等问题, 无法满足航空航天和第六代通信场景需求。此外，目前缺乏更加全面的太赫兹散射与吸收验证手段。针对上述问题，研究人员开展了广泛且深入的工作。本文回顾了近年来主流电磁屏蔽与吸收材料的主体构型与基础理论原理, 并重点介绍了多种MXenes及其复合物在薄膜与多孔结构下的太赫兹电磁屏蔽与吸收特性, 包括Ti₃C₂T_x、Mo₂Ti₂C₃T_x、Mo₂TiC₂T_x、Nb₄C₃T_x、Nb₂CT_x, 并展望了MXenes作为太赫兹频段中电磁屏蔽与吸收材料所面临的挑战和机遇。

由于原子间存在共价键、金属键与离子键的混合键合状态, MAX相陶瓷兼具金属和陶瓷材料的性能特点, 并且常与金属之间表现出良好的润湿性, 有助于形成强界面结合, 独特的层状原子结构使MAX相陶瓷表现出良好的断裂韧性、阻尼与自润滑性能。因此, 作为金属基复合材料的增强相, MAX相陶瓷具有显著优势, 本文着重介绍相关研究进展。目前, MAX相陶瓷增强金属基复合材料主要通过搅拌铸造、粉末冶金和熔体浸渗等途径制备, 得到的复合材料表现出优于金属基体的强度、硬度与模量, 同时还具备良好的耐磨、导电、抗电弧侵蚀等性能。此外, 借助真空抽滤、冰模板等工艺可实现超细片状MAX相陶瓷粉体的择优定向排列, 然后利用金属熔体浸渗多孔陶瓷骨架, 可获得具有类贝壳结构的MAX相陶瓷增强金属基仿生复合材料, 进一步提升材料的强韧性能。MAX相陶瓷增强金属基复合材料在承载、电接触等应用领域具有显著优势和广阔前景。

二维过渡金属碳/氮化物(MXenes)以其优异的力学和电学性能, 在多个领域展示出巨大的应用前景。近年来, 高性能MXenes纳米复合材料(包括一维纤维、二维薄膜和三维块体)的研究取得了显著进展, 但其力学性能仍远低于MXenes纳米材料的本征力学性能, 这主要归因于MXenes纳米复合材料中存在的孔隙缺陷、MXenes纳米片取向度低以及界面相互作用弱等关键科学问题。针对上述问题, 本文首先讨论了MXenes纳米材料的本征力学性能, 总结讨论了不同类型高性能MXenes纳米复合材料的发展历程, 并介绍了高性能MXenes纳米复合材料的最新研究进展, 包括如何消除孔隙缺陷、提高MXenes纳米片的取向度以及增强界面相互作用。同时, 介绍了高性能MXenes纳米复合材料在电热、热伪装、电磁屏蔽、传感以及储能等领域的应用。最后, 梳理了高性能MXenes纳米复合材料存在的挑战, 并展望了未来的发展方向。

MXene是一大类二维过渡金属碳氮化合物, 其丰富的组分、二维原子层结构、金属电导和活性表面等特性使其与不同波段的电磁波(可见光、红外、太赫兹、微波波段等)产生独特的相互作用, 并衍生了多种电磁功能应用。在红外波段, MXene具有宽域的红外辐射特性, 活性表面使其具备可调的红外吸收。近年来, MXene的上述性质引起了广泛研究兴趣。本文首先对不同MXene组分的本征红外辐射特性及调控策略进行了系统总结, 并简要介绍其代表性红外应用, 重点讨论MXene在这些应用中的贡献和作用机制, 包括红外识别/伪装、表面等离激元、光热转换、红外光电探测等。最后, 对MXene红外功能应用的未来发展方向进行了展望。

超薄的过渡金属碳氮化合物MXenes, 作为一大类新兴二维(2D)材料, 是当前材料研究热点方向之一。自2D材料发现至今已有近20年, 以石墨烯、过渡金属硫族化合物、黑磷等为代表的2D材料在微纳电子领域经历了相对广泛且深入的研究, MXenes自2011年诞生以来在微纳电子领域的研究也方兴未艾。MXenes拥有丰富的元素结构组成和独特的物理化学特性(表面亲水性、功函可调、官能团可调、电和离子快速传输特性、表面离子激元、光热电、电磁吸收等), 使其在微纳电子领域具有潜在的应用前景。Alshareef课题组近几年致力于将MXene引入到微纳电子领域, 并在2019年用MXetronics来定义MXene电子学这一新兴的学术领域。本文简要总结和评价了该领域的代表性进展, 梳理了包括微电子级的合成、加工、物性探索和器件应用等方面面临的挑战, 最后指出一些关键的研究方向和尚未探索的细分领域。

近年来, 压力传感器在智能可穿戴纺织品、健康监测、电子皮肤等领域得到了广泛应用。二维纳米材料MXene的出现, 为压力传感带来了全新的突破。Ti₃C₂T_x是压力传感领域研究最多的MXene, 具有良好的机械性能、高导电性、优异的亲水性以及广泛的可修饰性, 是理想的压力传感材料。因此, 近些年研究者们对MXene在压力传感器中的设计和应用进行了大量探索和研究。本文总结了MXene的制备技术和抗氧化方法。同时介绍了基于MXene的微结构设计, 包括气凝胶/多孔结构材料、水凝胶、柔性衬底和薄膜。该类设计有利于提高压力传感器的响应范围、灵敏度和柔韧性, 促进了压力传感器的快速发展。此外, 进一步探讨了MXene压力传感器的工作机制, 包括压阻式、电容式、压电式、摩擦电式、电池式和纳米流体式等。MXene以其优异的特性而在各种机制的传感器中得到了广泛应用。最后, 对MXene材料的合成、性质以及其在压力传感方面的机遇和挑战进行了展望。

二维过渡金属碳/氮化物(MXenes)自2011年被首次报道以来, 凭借其特殊的二维层状结构、优异的导电性和电化学性能在能源、催化、传感、电磁屏蔽和微波吸收等领域吸引了极大关注。近几年, 随着对该材料认识的不断加深, 其在光电领域的研究也不断深入。与其它领域不同, 光电器件聚焦于延伸MXenes材料半导体性质, 通过设计表面官能团、精准控制层数等来打开材料带隙, 从而使其从金属性质转变为半导体性质。本文主要围绕MXenes材料的光电性质, 介绍其在柔性光电子器件中的应用, 系统阐述MXenes材料在透明电子器件、光电探测器、图像传感器、光电晶体管、人工神经视觉网络系统的应用前沿现状与趋势, 并展望了MXenes基柔性光电器件面临的挑战以及未来发展前景。

基于功能油墨的先进印刷技术(打印、涂布), 能够突破传统制造手段的瓶颈, 实现具有复杂结构和特定功能的个性化薄膜及电子器件的快速成型, 在可穿戴智能识别、能源存储、电磁屏蔽及吸波、触摸显示等领域展现出巨大的应用前景。印刷先进能源及电子器件的关键在于, 开发先进功能油墨材料和与之相匹配的先进印刷技术。2011年发现的MXene材料, 是一类由过渡金属碳化物、氮化物或碳氮化物所组成的二维大家族的总称, 因其卓越的物理和化学性质(如高电导率、出色的亲水性和丰富的表面化学)而受到广泛关注, 特别适合作为印刷电子器件的油墨材料。探索MXene油墨的印刷行为特征并厘清MXene油墨在印刷关键环节中的机理, 不仅有助于获得高精度的MXene油墨印刷图案, 而且可以为印刷多尺度、多材料的多功能薄膜和电子器件打下了坚实基础。本文首先介绍了MXene的制备及其片层胶体的化学稳定性, 并对其流变学特性、可打印油墨的形成、油墨印刷行为以及与之适配的打印方法进行了讨论, 着眼于MXene油墨在能源、健康监测和传感应用方面的最新进展, 分析了该领域面临的挑战和未来的发展方向, 为该领域的研究者提供新的视角和启示。

可充电锌离子电池(ZIBs)以其低成本、固有安全性、高比能量和环保特性而在大规模储能领域中引起了极大的关注。尽管对ZIBs的正极、负极以及电解质的研究不断取得突破, ZIBs的实际性能仍难以达到实用化的要求, 关键在于缺少先进材料的开发。MXene作为一种新型的二维材料, 具有各种优异的特性包括丰富的原料、可定制的结构和独特的理化特性。二维(2D)MXene在ZIBs中的应用已经取得了重大进展。本文简要总结了用于ZIBs的MXene的多种合成路线、MXene的环境稳定性、形态和结构特征以及化学性质的进展; 详细阐述了MXene基阴极、阳极和电解质/隔膜的最新发展, 丰富的成果表明MXene材料具有实现高性能ZIBs的巨大潜力; 归纳探讨了增强基于MXene的 ZIBs性能的策略, 包括离子插层调控、表面接枝修饰、杂原子掺杂、层间距拓宽等; 最后, 提出了基于MXene的ZIBs面临的挑战, 展望了未来前景, 旨在为开发实用化MXene基储能器件指明方向。

太阳能作为自然界中丰富的可持续清洁能源, 可以在解决当前能源短缺问题的同时有效减少因过度消耗化石燃料造成的环境污染问题。近年来, 第三代新型薄膜太阳能电池, 如染料敏化太阳能电池(DSSCs)和钙钛矿太阳能电池(PSCs)等, 凭借其原料丰富、制造成本低廉和光电性能良好等优点而受到广泛关注。然而, 新型薄膜太阳能电池器件的电荷传输性能和运行稳定性与正式商用的要求仍有一定差距。二维MXene材料具有比表面积高、表面官能团丰富、导电性优良、功函数可调和亲水性等优点, 已成为能源转换领域的研究热点。鉴于此, 本文在综述二维MXene材料的结构、光学和电学特性的基础上, 阐述了近些年二维MXene材料应用于新型薄膜太阳能电池的研究进展, 并重点探讨了二维MXene材料增强太阳能电池光电性能的机制。二维MXene材料可通过作为钙钛矿太阳能电池中钙钛矿层和电荷传输层的添加剂、修饰染料敏化太阳能电池的光电阳极和制备电极, 来调整能带对齐、降低功函数、拓宽吸光范围和形成“柱撑效应”, 有效改善器件的光吸收效率、载流子迁移率和电荷提取能力, 从而提升器件的光电性能和稳定性。最后, 结合目前的研究进展, 对二维MXene材料在新型薄膜太阳能电池技术中的发展前景及面临的挑战提出了建议。

Zr₂SB、Hf₂SB、Zr₂SeB、Hf₂SeB、Hf₂TeB都是近期发现的硫族MAX相硼化物, 与典型MAX相相比，具有明显不同的性质, 因此备受人们关注。本文采用第一性原理并结合“线性优化法”、键刚度模型和准简谐近似研究了MAX相硼化物(M = Zr, Hf; A = S, Se, Te)的物相稳定性、力学性能和热性能。理论分析结果与目前可用的实验结果一致。经热力学和本征稳定性分析后发现, 只有M₂AB可以稳定存在。较短的M−A键与M−B键长使Hf系化合物的键刚度高于Zr系化合物, 这也同样导致Hf系化合物的硬度高于Zr系。随着A元素由S到Se再到Te, M−B与M−A键长逐渐增加, 键刚度减小导致弹性模量降低。而且, 这些化合物的体积模量取决于其平均化学键刚度。更加重要的是, 最弱键和最强键的刚度比(k_min/k_max)较高，显示这些MAX相硼化物不同于传统MAX相, 均呈本征脆性。考虑晶格振动(声子)和电子激发的贡献后计算得到M₂AB等压热容及热膨胀系数(TEC), 均在300 K以下随温度升高先快速上升后上升速率逐渐降低, 这与其它MAX相类似。较低的键刚度导致Zr系MAX相硼化物的平均线热膨胀系数整体上高于Hf系, 而且在300~1300 K区间与大部分MAX和MAB相一致。