二維材料因其高比表面積，獨特的電子結構及物理化學性質而引起人們的廣泛關注。作為研究最為廣泛的二維材料，石墨烯因其超高的力學強度、優異的電導率及熱導率，在電化學儲能，透明電極材料，及納米復合材料等領域展現出廣泛的應用前景，但本征的零帶隙及單一的化學組成限制了其在場效應晶體管等領域的應用。二元及三元二維材料，如金屬氧化物、層狀金屬硫族化合物，六方氮化硼，層狀氫氧化物等體系的研究日益受到關注。二維層狀過渡金屬碳化物納米片(MXenes)材料則是近年來發現的一類新型二維材料，由美國Drexel大學Michel Barsoum在此領域做了大量開拓性研究，目前該實驗室已相繼獲得Ti3C2Tz,Ti2CTz，Ta4C3Tz,TiNbCTz, (V0.5,Cr0.5)3C2Tz, Ti3CNTz, Nb2CTz，V2CTz, Nb4C3Tz, Mo2TiC2Tz, Mo2Ti2C3Tz, Cr2TiC2Tz, , Mo2CTz, Ti4N3Tz等MXenes結構。MXenes具有高比表面積、良好的導電性和親水性，理論預測這類材料具有高彈性模量及高載流子遷移率，在導電材料及功能增強復合材料等方面有良好的應用前景。前期研究發現多種陽離子能夠自發地插入到MXenes材料層間，因此在儲能領域也有良好的應用前景。如已有的研究報道，Ti3C2Tz、Ti2CTz、V2CTz、Nb2CTz等可作為鋰離子電池和超級電容器的電極材料，它們具有較高的比容量（可達410 mAh/g @ 1 C）和體積比電容（可達900F/cm3）以及良好的充放電循環穩定性（Science, 2013, 341, 1502-1505；Nature 2014, 516, 78-81）。因此，MXenes被認為極具發展潛力的新一代二維納米功能材料。 

　　正因為此，如何搶先合成出具有豐富d電子結構的過渡金屬碳化物材料已成為全世界關注的焦點。目前，MXenes的制備主要是通過HF酸，NH4HF2溶液，LiF及HCl混合溶液及低共熔混合鹽介質中對A位為Al的MAX相材料(為一超過70組員的材料體系)中的Al原子選擇性刻蝕而得到。由于過渡金屬Zr及Hf難以形成A位為Al的MAX相，因此，截止目前，關于Zr系及Hf 系的MXenes材料仍未見報道。中國科學院寧波材料所特種纖維與核能材料工程實驗室采用原位反應放電等離子燒結法(SPS)獲得的高純新型Zr3Al3C5層狀碳化物作為前驅體，以HF酸為蝕刻劑，選擇性剝離鍵合較弱、易于水解的Al-C結構單元，首次獲得Zr系二維MXenes材料。該工作已發表在國際期刊Angewandte Chemie-International Edition（128, 5092-5097, 2016）。 

　　相比于Zr系材料，Hf系層狀碳化物更難獲得單一的物相，通常獲得的是Hf3Al3C5、Hf3Al4C6和Hf2Al4C5三元化合物的混合相，并且由于較強的亞層間界面結合，研究發現直接以三元Hf-Al-C復合相為前驅體難以通過選擇性刻蝕法獲得Hf系二維材料，所得到的剝離產物主要為立方相HfC。已有的研究表明，基于這些三元相的單相固溶體相對更易獲得，并且有助于改善相純度。此外，考慮到Hf-C與Al-C片層間較強的相互作用，為進一步實現有效剝離，對單胞內的Hf-C及Al-C亞層間的界面進行調控，以弱化Hf-C與Al-C片層間的界面結合非常重要。研究人員基于固溶法調諧單胞內亞層的思路，在Al位引入少量Si，采用SPS方法合成了新型Hf2[Al(Si)]4C5和Hf3[Al(Si)]4C6固溶體材料，以此固溶體為前驅體，以HF酸為蝕刻劑，實現了對Al(Si)-C結構單元的選擇性剝離，首次獲得了Hf系二維MXenes材料。借助結合能和原子電荷計算分析，闡明了Si摻雜促進氫氟酸剝離過程的微觀機制，由于Si比Al多一個價電子，摻雜替代Al原子之后，能有效減弱Hf原子層和剝離的片層Al(Si)4C4之間的界面結合，對應結合能的數值從8.60eV直接降低到4.05eV，因而Si的引入實現了對單胞內HfC及Al(Si)-C片層界面的有效調諧，顯著弱化了界面結合，進而實現了剝離。Hf系新穎二維碳化物材料在儲能、吸波和光電器件上有著潛在的應用。該實驗室發現其具有優良的電化學循環儲能特性，在鋰電池和鈉電池測試中在電流密度為200mAg-1循環200次后分別得到體積比容量為1567mAhcm-3and504mAhcm-3。高體積比容量材料有望應用于發可應用于空間飛行器、移動裝備等小型化供能系統中。該新型Hf系MXene二維材料工作近期已經被國際期刊ACS Nano（DOI: 10.1021/acsnano.7b00030）接收發表。 

　　另外，該實驗室與香港城市大學教授支春義合作，利用常規水熱處理方法獲得了量子點結構的Ti3C2型MXene材料。該量子點材料具有很好的熒光特性和生物相容性，有望在無稀土發光顯示材料和生物標記及光熱治療等領域得到廣泛應用。該工作也將在2017年的《先進材料》（Advanced Materials DOI: 10.1002/adma.201604847）期刊上出版。 

　　目前國際上MXene材料研究方興未艾，正逐步成為繼石墨烯、二硫化鉬、黑鱗等二維材料之后新的研究熱點。中國科學家在Zr系和Hf系對應MXene材料合成上的突破將有力擴展人們對于二維材料認識的視野，也對于納米能源器件和光電器件研究提供全新的素材。 

　　以上工作得到國家自然科學基金委（21671195，11604346，51502310，21577144，91426304）和中科院核能材料創新團隊的支持。　　

　　Hf系MXene材料合成示意圖和原子力顯微鏡形貌圖。目前元素周期表過渡族金屬區域業已合成出對應的MXene材料，其中Zr系和Hf系由中國科學院合成。