MXenes是二维过渡金属碳化物和氮化物，可能构成最大的二维材料家族。虽然MXenes在能源、器件和医学等领域已经提出了广泛的应用，但一个共同的问题是MXenes是否会因与周围环境的相互作用而发生氧化降解。保持MXenes的稳定性至关重要，特别是对于将其集成到医疗平台和器件中。从材料合成的角度来看，全面了解MXenes的氧化机理也很重要。在某些情况下，它们的性能需要MXenes的可控氧化来提高整体性能。例如，金属氧化物复合材料，如TiO2/Ti3C2Tx、Nb2O5/Nb2CTx、Nb2O5/Nb4C3Tx和V2Ox/V2CTx，可以通过氧化构建。与原始MXenes相比，这些材料可以显著提高电极循环稳定性。
近年来，在理解MXene氧化方面取得了重大进展，包括实验和理论方法。实验研究证明了水分子在MXene氧化中的关键作用，并提出了低温氧分离和添加抗坏血酸等方法。同时，理论研究还提供了水分子攻击MXenes表面的动态描述。
然而，在实际应用中，如电催化、电池和超级电容器，MXenes在理想的储存条件下并不存在。在这种情况下，MXenes的氧化与电极电势明显相关，这是一个在之前的研究中经常被忽视的关键因素。例如，相对于Ag/AgCl，Ti3C2Tx电极在0.1-0.2 V以上很容易被氧化，V2CTx在循环伏安测试中表现出明显的氧化。了解MXene在电化学过程的工作条件下会发生什么，对于MXene材料的应用和开发至关重要。但之前的理论研究主要集中在水分子攻击MXenes的表面现象上。他们没有充分解决更深层次的问题，例如攻击过程中的电子变化、电势依赖的氧化行为以及这种电势依赖性对实际应用的影响。
在此研究中，作者使用恒电势混合溶剂化动力学模型（CP-HS-DM）模型研究了MXenes的氧化行为，发现金属原子的氧化态与水分子中氧原子的氧化态之间存在很强的关联性。反应机理与析氧反应（OER）相似，表现出明显的电势依赖性。利用恒电势隐式溶剂模型，研究了常见MXenes的氧化电势，并研究了缺陷官能团等结构因素对氧化的影响。研究发现，高零电荷电势（PZC）是导致MXenes在水溶液中自发氧化的关键因素。为了提高MXenes的稳定性，采用有效的合成方法来减少缺陷的形成至关重要。此外，官能团工程为抗氧化提供了额外的可能性。值得注意的是，分子攻击引起的结构变化并非MXenes独有，因为在MBenes、金属氧化物甚至铜表面都观察到了类似的现象。这项理论工作为MXenes和其他电极材料的腐蚀研究和防腐设计提供了见解和可行的方法。
图5 Pourbaix氧化图
【其他相关文献】
