NML综述｜二维过渡金属碳化物的性质、合成与应用展望

二维过渡金属碳化物(2D TMCs)由于其高体积电容、电致变色性能、高电子电导率、高熔点、高硬度、高化学稳定性等的优异物理化学性能，近年来已经成为储能、催化、电磁屏蔽、传感器、超导等领域的研究热点。虽然质量级TMCs粉末材料制备取得了一些进展，但面向电子器件用TMCs薄膜的制备还面临重要挑战。本文以碳化铌、碳化钒、碳化钛和碳化钼为例，从结构、理化性质合成方法及其广泛应用对TMCs这一具有巨大潜力的二维材料进行了详细的讨论。最后还概述了2D TMCs在能源存储、转化、生物医疗、光电探测、气体催化等应用领域上面临的挑战和未来的展望。

Recent Progress in Emerging Two-Dimensional Transition Metal Carbides
Tianchen Qin, Zegao Wang*, Yuqing Wang, Flemming Besenbacher, Michal Otyepka, Mingdong Dong*
Nano-Micro Letters (2021)13: 183
本文亮点
1. 讨论了过渡金属碳化物(TMCs)的相图结构。
2. 系统总结了TMCs的物理化学性质。 3. 讨论了TMCs的潜在应用和可控合成策略。
内容简介
四川大学王泽高团队和丹麦奥胡斯大学董明东团队系统总结了多种TMCs的最新进展。以碳化铌、碳化钒、碳化钛和碳化钼为例，本文系统地总结了几种典型的TMCs结构、相图结构和理化性质。在此基础上，总结讨论了TMCs的可控合成策略，包括化学刻蚀、化学气相沉积和程序控制升温法等。并对其近年来潜在应用进行了总结，着重讨论了TMCs在催化、储能、光电器件、超导效应及生物医疗等领域的应用。最后本文讨论了TMCs研究中的挑战和前景，为进一步的研究提供了借鉴。
图文导读
I 四种典型碳化物
1) 碳化铌

图1. 基于Nb的TMC结构。a) NbC B1型晶体结构示意图；b) NbC.单元胞结构，C2空间群；c) NbC.单元胞结构，C2/m空间群；d) C-Nb体系相图。
2) 碳化钒

图2. V基TMC的晶体结构。a) VC；b) α-VC；c) C-V系统相图。
3) 碳化钼

图3. Mo基TMC的体晶结构。a) fcc α-Mo1x；b) 六方γ-MoC和η-MoC；c) 正交β-MoC；d) 正交α-MoC；e) C-Mo体系相图。
4) 碳化钛

图4. 碳化钛的结构。a) 立方TiC的有序结构；b) 单层TiCT分子结构模型；c) 单层TiCT分子结构模型；d) C-Ti体系相图。
II 过渡金属碳化物的合成1) 化学剥离法制备过渡金属碳化物

图5. 化学剥离制备MXene。a) 化学剥落的机理；b) 插层结构的SEM图像；c) 少层MXene的TEM图像；d) 基于MXene的透明电极数字图像。
2) 化学气相沉积法制备过渡金属碳化物

图6. 化学气相沉积法制备TMCs。a) MoC生长的机理，其中铜箔位于钼箔的表面；b) 石墨烯高温下MoC薄片的形成；c) MoC的原子图；d) VC薄片的SEM图像。
3) 程序升温还原

图7. 程序升温还原法制备TiC。a-c) TiC薄膜的XRD分析；d) TiC薄膜的AFM形貌；e) TiC薄膜元素分析。
III 过渡金属碳化物的应用
1) 电催化和光催化

图8. TMCs析氢反应的交换电流和吉布斯自由能的函数图。
2) 气体催化和传感器

图9. TMCs的气体催化性能。a) 丙酮与WO/TiCT复合材料的反应示意图；b) VCT气体传感器传感机理示意图；c) 室温下VCT薄膜对丙酮、甲烷、氢和硫化氢的理论LoD；d-e) 室温气体传感器用氢气和甲烷的LoD比较；f) MoCT、MoCT-500和β-MoC的WGS催化活性。
3) 储能

图10. TMCs的光电性能。a) 无图案和有图案的InSe/TiCT光电探测器的原理图；b) 不同光照密度下图案化的InSe/TiCT雪崩光电探测器的光响应曲线；c) TiCT/n-Si肖特基结在光照下的能带图；d) 照明下MoS/p-MoC杂化结构光电探测器器件示意图；e) 不同波长照明下MoS/p-MoC混合结构光电探测器器件的ID-VG曲线；f) TiCT/n-Si异质结构器件在不同能量密度照明下的J-V曲线。
4) 医疗

图11. 基于NbC的医疗应用。a) 二维NbC在光热治疗肿瘤中的应用示意图；b) 不同浓度NbC NSs水悬浮液的s-近红外吸收光谱；c) 不同功率密度下808 nm近红外光照射NbC NSs水悬浮液的光热曲线；d) 小鼠静脉注射NbC-PVP后血液循环寿命；e) NIR-I、NIR-II、NbC- PVP NIR-I和NbC-PVP NIR-II组4t1荷瘤小鼠在激光照射下肿瘤部位温度升高；f) 不同治疗后(对照组、仅使用NbC-PVP、NIRI、NIR-II、NbC-PVP NIR-I和NbC-PVP NIR-II)的时间依赖性肿瘤生长曲线。
5) 超导

图12. 金属碳化物的超导特性。a) 不同厚度MoC薄片的超导特性；b) 不同温度下MoC/石墨烯/MoC结的典型直流Josephson响应；c) NbC薄片的超导特性。
IV 总结与展望
本文综述了以碳化铌、碳化钒、碳化钼和碳化钛为代表的过渡金属碳化物的结构、性能、应用和合成方法的研究进展。目前制备TMC薄膜的主要方法有化学剥离法、化学气相沉积法、程序升温还原法和磁控溅射法。虽然TMC薄膜在各个领域都显示出巨大的潜力，但在未来的应用中仍存在一些挑战。首先，目前的TMC膜的合成方法仍然存在一定的局限性。例如，MXene的母相MAX难以合成，许多MXene由于无法合成稳定的MAX相而未能通过化学剥离法制备成功。化学气相沉积法在制备大尺寸碳化物薄膜方面存在局限性。因此，合成TMCs的新方法还有待探索。其次，TMCs薄膜的某些特性在应用领域的理论机理尚不清楚。例如，在储能领域，碳化物膜间的离子动力学和电荷存储机制尚不清楚。第三，改善TMCs的电化学、力学和热稳定性仍是未来的研究课题。
值得一提的是，TMCs薄膜的研究领域充满了机遇和挑战，在不同的领域仍有很大的应用潜力有待挖掘。在可预见的未来，过渡金属碳化物材料将在解决各种全球性挑战中发挥越来越重要的作用。
本信息源自互联网仅供学术交流 如有侵权请联系我们立即删除