宁波材料所，Nature Synthesis！

米测MeLab

2025-09-09

研究背景

二维过渡金属碳化物/氮化物，统称为MXenes，在能源应用中具有吸引力。它们通常通过刻蚀MAX相中弱金属M–A亚层实现合成，而强共价M–X亚层能够维持晶体结构。然而，某些具有非金属A位的MAX相，其M–A和M–X亚层均为完全共价键，无法通过刻蚀实现合成。

为了解决这些问题，中国科学院宁波材料技术与工程研究所黄庆/陈科团队在“Nature Synthesis”期刊上发表了题为“Sublayer editing of covalent MAX phase for nanolaminated early transition metal compounds”的最新论文。本文发现共价型M–A和M–X亚层在高温熔融状态下展现出不同的反应活性。作者通过利用这种反应活性差异，可以对这些共价亚层进行结构修饰，从而实现X位元素的替换，并将非范德华MAX相中的非金属A位原子转化为范德华层状材料的表面原子。

这一策略产生了一类早期过渡金属Xide硫族化物（TMXCs），其晶格特性兼具MXenes和过渡金属硫族化物的特征。通过电子给体化学剪刀，这些TMXC层状材料可以剥离成单层纳米片。每个单层TMXC中的原子构型与传统MXenes相同，但M位原子的氧化态可以通过X位原子和插层阳离子进行调控。这些材料可能在电化学储能和表面催化中具有应用潜力。

研究亮点

（1）实验首次研究了共价型MAX相中M–A亚层和M–X亚层在高温熔融状态下的反应性差异，得到了可以选择性修饰共价亚层的化学策略。研究发现，虽然这些MAX相中两类亚层均为共价键，但其化学活性存在明显差异，可利用该差异进行结构编辑，实现X位元素的替换，同时将非金属A位原子转化为范德华层状材料的表面原子。

（2）实验通过引入共价化学剪刀，成功对硼化物MAX相中的共价[M–B]亚层进行选择性修饰，从而制备出早期过渡金属Xide硫族化物（TMXCs）层状材料。结果显示，这些TMXCs可以通过电子给体化学剪刀剥离成单层纳米片，每个单层中原子的构型与传统MXenes相同，但M位原子的氧化态可以通过X位原子和插层阳离子进行调控。这种方法扩展了MAX相前驱体的可调范围，使得非范德华MAX相也可衍生出具有MXenes和过渡金属硫族化物晶格特征的二维材料，为电化学储能和表面催化等应用提供了新的材料体系。

图文解读

图1 | 共价化学剪刀介导的MAX相拓扑化学转变。

图2 | Zr₂Se₂P的结构演变及通过插层与离子交换实现的化学修饰。

图3 |剥离后的Zr₂Se₂P的结构与化学表征。

图4 |共价MAX相和插层过渡金属氧族硫属化物（i-TMXC）的结构编辑策略 。

结论展望

本文建立了一种“化学剪刀”策略，用于精确调控纳米层状早期过渡金属化合物中的共价亚层，包括MAX相和TMXCs。通过共价化学剪刀，可将非常规元素（如硒、硫和磷）替换到MAX相的X位，而传统粉末冶金方法无法实现这一点。由定制化共价MAX相衍生出的二维TMXCs具有双端架构，通过依次使用路易斯酸熔盐（LAMSs）和金属剪刀获得。这些纳米片展现出既类似MXenes又类似过渡金属硫族化物的独特结构特征，丰富了二维材料的家族。鉴于TMXCs中固有的丰富配位化学，未来对其结构–性能关系的探索可能揭示新的物理现象，并为光电子学到能源储存等领域的研究进展提供新途径。

原文详情：

Li, Z., Chen, K., Wang, X. et al. Sublayer editing of covalent MAX phase for nanolaminated early transition metal compounds. Nat. Synth (2025). 

https://doi.org/10.1038/s44160-025-00855-y