编辑推荐︱封面文章：MXene的原位转化与应用

MXene是一类二维过渡金属碳化物、氮化物或碳氮化物，化学式为Mn+1XnTx，其中M是过渡金属，X是C或N,Tx表示—OH，—F和—O表面基团。作为新兴的二维纳米材料，它可通过选择性刻蚀MAX相中的A层（大多是ⅢA族与ⅣA族元素）进行制备。自2011年Ti3C2 MXene材料被首次报道以来，因其具有高的导电性、大的比表面积、独特的层状结构、丰富的表面活性位点和优异的化学稳定性在离子电池、超级电容器、传感、催化等领域展现出不俗的潜力，受到了广泛关注。

目前，研究热点主要集中于手风琴状多层MXene (m-MXene)及其进一步剥离后形成的二维超薄MXene纳米片(u-MXene)的制备以及应用。m-MXene是在选择性刻蚀MAX相中的A层后呈现出一种折叠或层叠的结构，具有更高的机械强度和导电性能。由于其独特的立体结构，使得实现基于m-MXene的三维复合材料的构建成为可能。MXene纳米片通常指的是在实验室中通过化学剥离法或机械剥离法从m-MXene块体中剥离出的单层MXene纳米片，这些纳米片具有较大的比表面积和较高的活性位点密度，在催化、电化学领域具有广泛的应用前景。MXene的层状结构以及表面丰富的端基基团（—F, —O和—OH），使其可以与第二相材料广泛兼容，同时可以实现性能的调节。然而，研究表明，MXene纳米片在应用过程中易出现层层堆垛效应，很大程度地限制了电子传输，限制了材料在实际使用过程中的导电能力，降低了MXene材料实际的应用性能。MXene的原位转化为解决该类问题提供了新的思路。在MXene材料进行原位转化的过程中，第二相材料的负载是可控的且能有效抑制MXene纳米片的层间堆垛效应。同时，通过对第二相材料的选择与调控，可以实现定向构建多功能、高性能的杂化材料。原位转化后的杂化材料能够综合MXene的大比表面积、金属导电性、高活性位点以及所选第二相材料的本征性能。另一方面，借助于MXene纳米层状结构，可使MXene作为平台构建具有更多活性位点、更大比表面积的三维纳米结构，进一步提升第二相材料在能量存储、电化学响应、催化等的性能，因此，原位转化修饰MXene是一种可行的提升材料性能的方法。

本文以Ti3C2 MXene为例，首先归纳了基于MXene原位转化的杂化材料，包括MXene原位衍生、MXene与金属离子杂化和MXene与金属有机框架材料(MOF)杂化材料的制备以及转化机理；其次总结了MXene杂化材料在能源存储、传感和催化领域的应用；最后指出了此领域研究中尚待解决的问题，并展望了未来的发展方向。

图1. （a）刻蚀Ti3C2示意图; （b）手风琴状Ti3C2的SEM图像; （c）零维（米壳状）TiO2与Ti3C2形成的复合材料的SEM图像; （d）一维TiO2与Ti3C2形成的复合材料的SEM图像; （e）二维TiO2与Ti3C2形成的复合材料的SEM图像。

1.1.1 TiO2/MXene复合材料的可控制备及机理分析

目前，在TiO2/MXene复合材料中，TiO2主要以零维（纳米颗粒）、一维（纳米线）以及二维（纳米片）3种维度存在，其制备方法以及所展现的材料性能也各有不同。

对于零维TiO2与MXene纳米片形成的TiO2/MXene复合材料，其制备主要是通过MXene中Ti的原位氧化，以及在MXene表面上生长或搭载TiO2纳米颗粒来实现。Low等首先通过氢氟酸（HF）刻蚀Ti3C2 MXene制备了手风琴状多层Ti3C2（m-Ti3C2）块体，然后采用煅烧法制备了米壳状TiO2/Ti3C2复合材料。TiO2纳米颗粒粒径约为25 nm，均匀生长在Ti3C2片层结构上（图1c）。Xu等以m-Ti3C2为起始物，采用水热氧化法合成了异质结TiO2/Ti3C2层状杂化材料。经水热氧化处理后，原位生长的TiO2纳米晶明显增大了Ti3C2的层间间距，其中生长在Ti3C2上的TiO2纳米颗粒具有锐钛矿晶型，最终TiO2/Ti3C2依旧保持层状结构且厚度约为30 μm。这些层状TiO2/Ti3C2异质结材料具有较窄的带隙（2.1 eV），有助于可见光的吸收。Wang等利用HF刻蚀制备了m-Ti3C2块体，采用简单的一步水热氧化法制备了具有夹层结构的TiO2纳米颗粒/Ti3C2复合材料。结果表明，Ti3C2的氧化程度受水热时间的控制，随着水热处理时间的增加，TiO2含量也随之升高。相较于纯Ti3C2而言，该复合材料具有显著增大的比表面积，继而为第二相材料在其表面的负载和反应提供更多的活性位点。

对于一维TiO2与MXene纳米片形成的TiO2/MXene复合材料，其制备往往以Ti3C2 MXene为Ti源，通过原位氧化形成具有二维纳米棒结构的TiO2/MXene杂化材料。

Li等利用碱氧化法，在HF刻蚀的m-Ti3C2 MXene表面实现了TiO2纳米线的原位生长，从而成功制备了一种呈海胆状结构的TiO2/Ti3C2复合材料。TiO2纳米线直径为10~100 nm，长度为500 nm~1 μm，均匀分布在Ti3C2纳米片周围。与纯Ti3C2或TiO2材料相比，海胆状结构的TiO2/Ti3C2复合材料具有更大的表面积。增大的表面积和缺陷位点提高了膜对分子的吸附能力和检测灵敏度。Sun等采用m-Ti3C2 MXene溶液与KOH溶液混合，通过氧化制得TiO2/Ti3C2复合材料。其中，与KOH溶液反应后，Ti3C2纳米片表面原位生长出大量的TiO2纳米线。实验结果表明，该材料的电化学发光性能与碱性氧化的时间有密切联系，可通过控制碱性氧化时间进行器件优化。Liu等采用碱氧化法，实现m-Ti3C2 MXene的部分原位转化，制备了层次化的1D/2D TiO2/Ti3C2异质结构，作为去离子化的电极材料。其中，交联的TiO2纳米线可以进一步扩大MXene层间距，提供丰富的离子传输通道，也为高Na+吸附提供额外的活性位点。交联的TiO2纳米线还可以起到保护层的作用，减轻内部Ti3C2氧化，从而提高TiO2/Ti3C2复合材料的循环稳定性。这项工作通过原位氧化形成杂化材料，突破了纯MXene材料的局限，在海水淡化脱盐领域展示出了广阔的前景。

对于二维TiO2与MXene纳米片形成的复合材料而言，其构建主要是基于形貌调控剂以及MXene的原位转化共同作用。

Li等采用水热氧化法，并使用NaBF4作为晶面调控剂，成功地在m-Ti3C2 MXene纳米片的表面实现了TiO2纳米片的原位生长（图1e）。在此基础上，进行二次水热处理，在TiO2/Ti3C2复合材料上原位生长了MoS2纳米片。Ti3C2、TiO2和MoS2纳米片（NSs）之间存在紧密而均匀的耦合，成功构建了以MoS2/TiO2/Ti3C2复合材料为基础的2D-2D-2D异质结。Shahzad等用水热氧化法，制备了（001）TiO2纳米片/m-Ti3C2 MXene纳米复合材料。由于具有高催化活性的TiO2（001）面和肖特基结产生的额外的电子（e^-）和空穴（h⁺）以及低的带隙能（2.4 eV），该复合材料对卡马西平具有良好的光催化降解活性，这是MXene或其衍生物用于光催化降解药物的首次报道，扩展了该类材料在光催化降解药物领域的应用范围，还为新型高效光催化材料的设计和制备提供了重要参考。

1.1.2 Ti3C2 MXene衍生TiS2材料的可控制备

目前，虽然已经开发了各种制备TiS2纳米材料的方法，但以更有效的方式可控合成高结晶超薄TiS2纳材料仍然具有挑战性。以MXene材料为前驱体的方法为TiS2纳米材料的制备提供了新的可行路线。相似于MXene的氧化，同样可以通过硫化过程实现Ti3C2至TiS2纳米材料的原位转化，在此过程中，Ti3C2组分往往会被消耗，转化为目标产物。

Tang等以LiF及HCl混合刻蚀制得的u-Ti3C2 MXene为前驱体，通过聚多巴胺（PDA）辅助原位硫化工艺制备超薄TiS2纳米片。其制备原理是通过带负电荷的MXene与质子化聚乙烯吡咯烷酮（PVP）链之间的静电吸引，以及MXene表面含氧基团与PVP强极性基团（如C=O）之间的氢键相互作用，对MXene纳米片表面进行PVP修饰。PVP对MXene的强亲合力有效地阻碍了Ti3C2的再堆积。然后将改性后的Ti3C2 MXene在H2S气氛下冷冻干燥退火，此过程对MXene进行了硫化，得到碳包覆TiS2纳米片（图2a）。TiS2纳米片在碳基体的内部均匀分布（图2b），Ti3C2组分完全被消耗，转化为目标产物（图2c）。分散的TiS2纳米片平均尺寸为几百纳米，呈六边形板状。在结构上，PVP衍生碳为复合材料提供了额外的比表面积和丰富的孔隙，也提供了更多的电化学活性位点，增加了电极/电解质的接触界面。Huang等通过原位PDA辅助硫化工艺，成功地将u-Ti3C2 MXene转化为N，S共掺杂多孔碳（TiS2@NSC）约束的三明治状超薄TiS2纳米片。其中PDA被引入MXene表面，从而保护Ti3C2纳米片不被氧化并抑制其再堆积。此外，在硫化过程中，PDA衍生的碳材料将TiS2生长限制在2D纳米空间内，产生独特的三明治状结构。该结构非常有利于固定LiPSs（可溶性中间物长链多硫化物），从而导致硫的高利用率和硫物种的均匀分布。

图2. （a）PVP衍生碳约束TiS2纳米片（TiS2@CPVP）的合成示意图; （b）TiS2@CPVP的SEM图像; （c）TiS2@CPVP的XRD图像。

1.1.3 Ti3C2 MXene衍生TiSe2复合材料的可控制备

金属硒化物具有较弱的金属-硒键，更容易引发转化反应，从而保证了较高的初始库仑效率和可逆性。与TiO2（2.2 eV）相比，TiSe2具有更小的带隙（0.1 eV），具有更高的电子导电性。与TiS2相比，TiSe2对应于（001）平面的层间距更大（0.601 nm），电子导电性更好。因此，除了TiO2与TiS2之外，TiSe2是另一种极具潜力的二维层状材料。Ti3C2 MXene材料可作为前驱体以实现向TiSe2材料的转化，得到TiSe2及TiSe2/Ti3C2 MXene等目标产物。

Qi等以u-Ti3C2为前驱体，采用固相硒化工艺，合成了TiSe2/TiO2/C六棱柱异质结。此过程是将Ti3C2和硒均匀混合，研磨后加热得到产物（图3a），不同温度处理下的产物形貌如图3（b）、图3（c）、图3（d）所示。处理过程中，随着温度和时间的升高，复合材料中TiSe2的含量逐渐降低，同时TiO2相增加。结构上，TiSe2层状结构比表面积大，具有介孔结构，利于离子扩散的基础上，TiSe2和缓冲碳层的大层间距也有利于适应体积膨胀，提高循环稳定性。TiSe2还能在异质结界面诱导产生内置电场，加速电化学过程。Azadmanjiri等采用易固相化学方法，设计并合成了含有半金属硒原子的m-Ti3C2，实现了对二维纳米材料进行共价表面改性以调控此类纳米材料性能。Se/Ti3C2在Ti3C2层上形成了TiSe2相。支柱效应稳定了MXene结构。

图3. （a）TiSe2/TiO2/C的合成示意图; （b）450 ℃, （c）550 ℃, （d）650 ℃下处理3 h的TiSe2/TiO2/C的SEM图。

1.2 金属离子在MXene表面原位反应

MXene也可作为第二相材料的基底而非反应物合成杂化材料。在此过程中，金属离子可做为前驱体用于二次材料的成核和生长，进而实现对MXene的改性，同时MXene的完整性能得到良好保持。

1.2.1 Ni/MXene复合材料的制备以及机理

Feng等提出了一种表面Ni改性的方法来提高m-Ti3C2 MXene的微波吸收性能（图4a）。制备出的复合材料形貌如图4（b）所示，EDS谱也证实了该类材料的成功制备（图4c）。镍的改性是通过碱化Ti3C2 MXene与Ni2+的自发化学反应进行的，在KOH溶液中，Ti3C2 MXene表面的弱酸性末端（—OH或—F）可与KOH反应并发生碱化。将碱化后的MXene转移到含Ni²⁺的溶液中，由于Ni²⁺只有在酸性条件下具有稳定的特性，Ni²⁺可以在MXene表面自发沉积。Wen等报道了一种组装双壳层u-MXene@Ni微球的球化策略。通常的层状MXene被重塑为三维微球，为Ni纳米尖定向生长提供基板，少层Ti3C2 MXene薄片通过氢键吸附到有机玻璃微球表面，形成二元络合物，由于MXene带负电荷，Ni²⁺离子被静电吸附在MXene表面。Liang 等采用水热法成功地将二维Ti3C2 MXene纳米片和一维Ni纳米链结合，合成了高效的电磁波吸收和屏蔽复合物，且通过改变MXene的含量，可以很容易地控制混合材料的阻抗匹配和电导率，为高性能电磁波吸收和屏蔽材料的开发提供参考。

图4. （a）Ti3C2 MXene的碱化和Ni改性过程示意图; Ni修饰MXene的（b）SEM图像和（c）EDS谱。

1.2.2 Ru/MXene复合材料的制备及机理

Bat-Erdene等成功开发了一种以B掺杂u-MXene为载体的Ru催化剂。将制备好的Ti3C2纳米片与硼酸和RuCl3·xH2O在水溶液中混合，由于丰富的表面端基基团（—F, —O和—OH），B 和Ru³⁺易在纳米片表面吸附。在惰性条件下退火后，硼原子被化学掺杂到Ti3C2纳米片上，而单个Ru³⁺离子被热还原成RuO纳米颗粒，形成Ru@B-Ti3C2复合材料。该材料作为高效催化系统的电催化剂有着良好的应用前景。Kong等通过水热法，采用十六烷基三甲基溴化铵修饰的u-Ti3C2制备了一种新型的水下超疏氧、超亲水性Ru基电催化剂。其中，Ru³⁺在修饰后的MXene上原位还原，最终呈现出褶皱的三维结构，其中嵌入了均匀分布的Ru纳米颗粒。Liu等合成了一系列以2D MXene为载体的RuFe合金催化剂。其中MXene底物的主要功能是防止双金属纳米颗粒的堆积，既能保持反应空间，缓解活性位点的拥挤，又能提高金属的利用率。MXene独特的结构和表面性质，以及RuFe双金属之间的协同作用，为RuFe@MXene复合催化剂提供了优异的电化学催化性能。

1.3 MOF与MXene组装

由于MXene具有高活性位点的优势，可与MOF的有机配体和一些无机化合物形成强键。因此，MXene既可以作为一种吸附剂，为MOF材料提供生长条件，又可以作为导电剂来提高电子导电性，同时可以作为间隔剂来有效防止MOF的团聚。MOF与MXene杂化过程中，因MOF具有极大的比表面积、易于调节的孔径和丰富的赝电容氧化还原中心，通过选择不同的金属中心和配体可以很容易地实现材料性能的可控调节。

Xiao等提出一种简单的水热法，在u-Ti3C2基体上原位沉积Fe-MOF。得到的Fe-MOF/MXene对As(Ⅲ)表现出较强的电化学响应。其中，MXene丰富的表面官能团（—OH、—O和—F）与Fe-MOF的有机配体形成强键，实现了此类复合材料的构建。此外，由于Fe-MOF与As(Ⅲ)之间具有较强的配位相互作用，同时MXene表面的羟基与砷之间形成As—O键来去除砷，故Fe-MOF/MXene对As(Ⅲ)呈现出极好的吸附性能，表现出较强的电化学响应，可用来构建测定砷的超灵敏度电化学传感器。

2 基于MXene衍生的纳米复合材料的应用

2.1 能源存储

在世界范围内，能源危机与环境问题日益恶化，电化学储能技术可以有效地储存电能并在需要时释放出来，因其具有高能量密度、高效率、长寿命和可重复充放电的特点而被广泛应用于各类电子储能器件。本部分总结了基于MXene衍生的纳米复合材料在锂硫电池、超级电容器、氢能存储等领域的应用。

2.1.1 锂硫电池

锂硫电池是一种新型的电池技术，因其高能量密度、环境友好、低成本等优势，可作为供能设备被广泛应用于电子器件。硫阴极和锂阳极的理论比容量分别为1675和3860 mAh·g^-1，硫锂电池的理论能量密度高达2567 Wh·kg^-1。然而，锂硫电池的实际应用受制于可溶性中间物长链多硫化物Li2Sn（4≤n≤8）（LiPSs）的穿梭效应，导致容量衰减严重，循环寿命短。

MXene杂化材料在实现高性能锂硫电池方面显示出非常有前途的应用。MXene杂化材料的金属导电性提供了快速的电子转移，促进了硫的充分利用，保证了Li-S电池的高容量。MXene表面末端对LiPSs有很强的吸附作用，形成强烈的金属−S键，能有效抑制穿梭效应。

Jiao等通过原位制备TiO2/u-MXene异质结构，提出了一种具有强的多硫化物吸附能力、优异的多硫化物转化活性、高比表面积和电子导电性的多功能催化剂（图5a）。TiO2/MXene异质结构结合了大表面积、强LiPSs捕获能力、高电催化活性和导电性等优点。均匀分布在MXene表面的TiO2 NPs提供了许多强的LiPSs捕获中心，异质结构界面保证了LiPSs向MXene的平滑扩散，具有高催化活性，实现了快速转化。因此，由TiO2/MXene异质结构和GN构建的组装中间层有效地阻断了LiPSs的穿梭，提高了硫的利用率，从而获得了较高的循环稳定性。改进的锂硫电池在2C下可提供800 mAh·g^-1，在2C下循环1000次时，每循环容量衰减0.028%，即使在5.1 mg·cm^-2的高硫负载下，200次循环后容量保持率仍为93%（图5b）。将经不同时间氧化的MXene基材料负载在碳纤维纸（CP）进行恒电位放电实验，CP-Ti3C2(4 h)（部分氧化）电极对Li2S的析出活性更高，析出电流更高，析出容量为162.1 mAh·g^-1（图5c~e）。结果表明，由于TiO2优异的吸附性，优化化学成分和表面性质的TiO2-Ti3C2异质结构能有效遏制LiPSs穿梭效应，不仅提高了对LiPSs的吸附能力，而且有效地促进了其在电化学过程中的快速转化。

图5. （a）LiPSs在TiO2-Ti3C2异质结构上的俘获和转化过程示意图;（b）Ti3C2 -GN夹层的Li-S电池循环性能;（c~e）不同异质结构电极上Li2S8溶液在2.02 V下的恒电位放电曲线。

2.1.2 超级电容器

超级电容器，也被称为电化学超级电容器，是一种高能量密度的储能设备。其主要通过双层电容与赝电容2种机理实现电极间的电荷储存，并实现快速的充放电过程，能够提供高功率密度和长循环寿命。MXene因为其高导电性与被视为一种潜在的有价值的辅助材料，可以改变活性元件的导电性。纯MXene材料因为其薄片间的自堆积、有限的比表面积和较少的活性可访问位点限制了其在超级电容器应用中的储能性质。通过金属氧化物（NO）等赝电容材料修饰MXene以增强MXene的电化学储能性能被证实是一种可行的办法。RuO2、NiO、SnO2、MnO2、Fe3O4、Fe2O3等金属氧化物与MXene的杂化材料已经被探索作为超级电容器的电极。

对于超级电容器的应用，NO@MXene电极材料有2个结构上的优点。首先，层状的MXene薄片具有较大的比表面积，纳米片上的NO打开了由再堆积造成的失活表面区，提供了更多的活性位点。其次，MXene增加了NO@MXene电极的导电性，对电化学性能起着重要的作用。

Jiang等利用u-Ti3C2 MXene在酸性电解液中可以在负电位下工作的特性，将其与RuO2正极结合，设计了一种全赝电容不对称超级电容器。这种非对称器件工作在1.5 V的电压窗口，比对称MXene超级电容器的工作电压窗口宽2倍，其在功率密度为40 mW·cm^-2的情况下可以提供37 µWh·cm^-2的能量密度，在20 000次充放电循环后，保持86%的电容。Chavan等通过简单的丝网印刷方法合成了NiO@m-MXene纳米复合材料。在1 mol·L^-1 KOH、6 mA·cm^-2电流密度下，15% NiO@m-MXene材料的电容值为1542 F·g^-1，约为相同情况纯MXene材料的8倍。Mustafa等提出了一种合成抗坏血酸处理的m-MXene/SnO2柔性电极的方法。用抗坏血酸处理合成的三维SnO2纳米花激活其表面，并为MXene薄片提供一个连接位点。SnO2纳米花不仅可以作为层间的纳米柱，而且可以使层间保持适当的空间，并为电荷存储提供二维表面。MXene/SnO2杂化材料比电容为643 F·g^-1，1000次充放电循环后保持98%电容。

2.1.3 氢能存储

随着能源危机和环境问题的加剧，氢能作为一种新兴能源，因其具备清洁、无污染、安全、可持续、环保以及高能量密度等特点，成为减少对化石燃料依赖的可靠解决方案。迄今为止，催化剂的加入被证实可提高NaAlH4的氢化/脱氢动力学和可逆性。MXene因为其比表面积大、导电性好、结构和化学稳定性好有望增强NaAlH4的脱氢性能，其所包含的零价钛(Ti0)可作为储氢活性材料电子转移的催化活性位点，但在氢化/脱氢过程中，Ti0的结合能变化很大，表明Ti0在NaAlH4/Ti3C2复合材料中的化学状态不稳定，故需要对MXene进行修饰，从而有效提高催化剂的催化性能，以提高NaAlH4的循环稳定性。

Yuan等通过多巴胺自聚合和热处理制备了二维氮掺杂碳包覆m-Ti3C2（Ti3C2/NC）催化剂，在NaAlH4的脱氢动力学和循环稳定性方面表现出优异的催化活性，加入质量分数为10%的Ti3C2/NC催化剂后，初始脱氢温度可降至85 ℃，比纯NaAlH4样品的初始脱氢温度降低了70 ℃。NaAlH4+10% Ti3C2/NC复合材料脱氢动力学显著改善，第一步脱氢在100 ℃下57 min内完成。循环15次后，氢气容量为4.66%（以质量分数计），容量保持率高达96.3%。Yuan等还通过简单的水热反应成功地合成了与m-Ti3C2强耦合的CeF3纳米颗粒（CeF3/Ti3C2）（图6a），并将其用于改善NaAlH4的吸氢和解吸性能（图6b,d）。添加质量分数为10% 的CeF3/Ti3C2催化剂后，与纯NaAlH4相比，初始脱氢温度可从155 ℃降至87 ℃。氢气的释放量高达4.95%（图6c）。同时，随着温度的升高，NaAlH4+ 10CeF3/Ti3C2复合材料的脱氢行为明显提升（图6e）。在连续实验10次后，可获得容量保持率94.5%的高可逆性（图6f）。其中，相对稳定的Ti-F-Ce 结构能有效提高Ti0的稳定性，提升NaAlH4的储氢性能。

图6. （a）CeF3/Ti3C2制备及应用示意图;储氢性能表征:（b）TPD曲线, （c）体积释放曲线, （d, e）等温脱氢曲线, （f）NaAlH4+10CeF3/Ti3C2复合材料的循环脱氢实验（插图为相应的氢容量保留量）。

2.2 传感

气敏传感器作为一类重要的传感装置，因其可检测和监测空气中的各种污染物与有害气体，在环境监测、工业安全、医疗保健和农业等领域受到广泛关注。Ti3C2 MXene因其大比表面积与金属导电性，在对气体分析物的高灵敏度室温电化学检测中极具潜力。然而，MXene纳米片之间的层间距堆垛可能会限制其适用性，而使用杂原子作为掺杂剂可以帮助克服这一限制。

Shuvo等采用剥离法合成了掺硫u-Ti3C2 MXene（S−Ti3C2），并将其集成到电导气体传感器中。硫为杂原子掺杂后，MXene纳米片的层间间距大幅增加。硫掺杂后的响应增强，成功地观察到在1 ppm（1 ppm=1×10^-6）的~ 214%范围到50 ppm的~ 312%的范围内相应增加3~4倍。该材料对甲苯表现出独特的选择性，掺杂后，吸附气体分子周围S原子的电荷分布发生了改变，这种效应导致气体响应的增强。Chang等成功制备了具有创新特征的双金属棒状铁卟啉基MOF（Co-TCPP(Fe)）材料，并与u-Ti3C2 MXene进行氢键组装形成Co-TCPP(Fe)/Ti3C2杂化物（图7a）。基于上述杂化材料的传感器表现出优越的室温NO传感性能（图7b~e）。其中，MOF结构具有丰富的未占用的Fe-N4单元，为感知NO提供良好的平台。MOF与MXene组装构建肖特基结，宏观上赋予杂化材料更好的导电性，更有效反映电阻变化。在性能上，其对NO具有快速的响应/恢复速度（95 s/15 s）。在200 ppb（1 ppb=1×10^-9）的低浓度下，能记录到对NO的相应，表现出较高的灵敏度（图7d）。传感器的响应在10 d内保持在初始值的82%左右，表现出较好的稳定性（图7f）。更重要的是，Co-TCPP(Fe)/Ti3C2传感器对NO（Ra/Rg = 2.0, 10 ppm）的响应远高于其他呼出气体（图7g），在医学研究领域选择性区分靶气体展示出了令人期待的潜力。

图7. （a）Co-TCPP(Fe)、Ti3C2及Co-TCPP(Fe)/Ti3C2的合成工艺示意图；（b）10 ppm NO暴露于原始Co-TCPP(Fe)、Ti3C2、TCPP(Fe)/Ti3C2-20、TCPP(Fe)/Ti3C2-20和Co-TCPP(Fe)/ Ti3C2-20后的典型响应曲线; （c）10 ppm NO暴露于Co-TCPP (Fe)/Ti3C2后的典型响应曲线; （d）室温下Co-TCPP(Fe)/Ti3C2-20传感器对10 ppm NO的实时响应-恢复曲线; （e）室温下不同相对湿度（0% ~ 70%），传感器对10 ppm NO的响应; （f）传感器在室温下暴露于10 ppm NO时的长期稳定性; （g）传感器对浓度为10 ppm和20 ppm的各种气体的选择性。

2.3 催化

催化是指通过添加催化剂来加速化学反应速度或降低反应所需的能量。因其可以提高反应效率、降低能源消耗和减少环境污染而被广泛应用于化学工业生产、能源转换、环境保护等领域。MXene因为其大比表面积以及丰富的表面集团，有利于各种催化剂的分散以及锚定，并为催化剂构建三维结构增加活性位点，同时MXene的导电性增强复合材料的电化学响应，是各类催化材料的适用支撑，显示了其在催化领域的潜在应用。

Wang等通过简单的一步水热法，在m-Ti3C2表面和层间原位垂直生长MoS2纳米片，构建出三维互联的CoMoS2/Ti3C2复合材料（图8a, b）。Ti3C2和CoMoS2/Ti3C2的等温线，表现为可逆的Ⅳ型等温线，迟滞环不明显，表明它们具有介孔（图8c），计算得CoMoS2/Ti3C2的平均孔径约为4 nm（图8d）。垂直生长在Ti3C2表面和层间的缠绕状的CoMoS2纳米片导致了增加的比表面积。由于该复合材料丰富的活性相和开放结构，CoMoS2/Ti3C2在300 ℃、4 MPa的H2条件下，在二苯噻吩（DBT）的加氢脱硫中表现出较高的速率常数（1.12 mol·mol^-1·h^-1），高于CoMoS2 （0.4 mol·mol^-1·h^-1）。该成果在进一步开发高效的加氢加工催化剂，以对煤基油和沥青衍生重质油等重烃资源进行加工脱硫中表现出巨大的潜力。MXene杂化材料在硝酸盐电催化还原反应制氨（NO3-RR）中也具有很好的应用前景。Li等成功将CuPc分散并锚定在u-MXene上，构建了分子催化剂，显著提高了CuPc分子在NO3-RR中的活性和选择性。电化学活性面积测量结果表明，CuPc@MXene中的MXene增加了电导率，并为NO3-RR暴露了丰富的活性位点。10% CuPc@MXene表现出优异的氨选择性（94.0%）和较高的硝酸盐转化率（90.5%），并在7次循环实验中保持稳定。

图8. （a）CoMoS2/Ti3C2结构示意图; （b）Ti3C2 MXene、CoMoS2及CoMoS2/Ti3C2合成原理图; CoMoS2/Ti3C2的加氢脱硫催化性能:Ti3C2 MXene、CoMoS2及CoMoS2/Ti3C2-200的（c）氮气吸附-解吸等温线和（d）孔径分布图。

本文以Ti3C2 MXene为例，归纳了基于MXene原位转化的杂化材料（原位衍生、金属离子杂化和MOF杂化）的制备以及转化机理，总结了MXene杂化材料在能源存储（锂硫电池、超级电容器和氢能存储）、气敏传感和催化等领域的应用。尽管基于MXene原位转化的杂化材料展现出广阔的应用潜力，但是目前依然面临着许多科学问题和技术难点，迫切地需要加以解决，仍需从以下4个方面展开该研究领域的深入探索。

（1）目前的工作中，MXene原位转化生成杂化材料的机理研究主要是基于实验材料的表征与测试来进行机理推测的，故仍需进一步探索结构与组成调控，深入理解MXene原位转化过程中的结构演变和组成调控机制。这包括了解原位转化过程中MXene材料的相变行为、晶格结构调控以及杂化材料组成的优化等方面的研究，确切的功能性能调控需要经过理论计算和模型进行推导。（2）需要深入了解MXene基杂化材料中尺寸效应和界面调控的影响。这包括了解纳米材料与其他功能性组分之间的相互作用，以及深入探究界面结构、界面能级调控以及界面电荷转移等现象对杂化材料性能的影响。通过优化界面工程，可以实现杂化材料性能的可控优化。（3）截至目前，纳米材料已经在纳米技术、药物传递与生物医学、能源存储、环境保护、物联网和传感、5G通讯等诸多领域展现出了不俗的实力，然而MXene原位转化的杂化材料主要聚焦于能源存储、传感、催化3个领域。未来的研究可以尝试依托MXene优异的平台特性原位转化成其他领域的功能性材料，进行性能测试对比与系统表征，阐明构效关系。（4）现有MXene原位转化研究主要集中于使用Ti3C2作为前驱体，而自2011年MXene (Ti3C2)被发现以来，现已经合成了30多种不同类型MXene。在未来的研究中，可扩展至诸如Nb2C、Nb4C3、V2C、V4C3、Mo2TiC2等多种MXene材料的原位转化与应用。

MXene原位转化在形成杂化材料工艺与应用上具有简单高效、可调性好、适应多种第二相材料、节约资源等诸多优势。随着该方向研究的不断深入，有望实现各类杂化材料的可控合成，促进多重领域的多元应用。