插层材料具有独特的性能，并作为重要的二维(2D)材料的前体。然而，可以拓展二维2D材料家族的非范德华结构的插层材料，却是非常困难的。

鉴于此，近日中科院宁波材料研究所黄庆研究员和德雷塞尔大学的Yury Gogotsi教授联合在《Science》发表题为“Chemical scissor–mediated structural editing of layered transition metal carbides”的研究论文。

该研究报道了一种层状碳化物(MAX相)及其2D衍生物(MXenes)的结构编辑方案。在能隙开放和物质嵌入阶段，分别由化学“剪刀”和插层剂分别介导了缝隙打开和物质插层阶段，这创造了一大类具有非常规元素和结构的MAX相，以及具有多功能末端的Mxenes。用金属“剪刀”去除MXenes中的末端，然后用原子插入拼接2D碳化物纳米片，从而重建MAX相和一系列金属插入的2D碳化物，这两者都可能推动从能源到印刷电子等领域的不断发展。

研究通过引入一种化学剪刀介导的插层化学，用于非vdW MAX相和vdW MXenes的结构编辑，扩展了MAX相的组成元素和MXenes的终端的范围，通过交替使用LAMS和金属剪刀进行结构编辑，使得MAX相和MXenes直接在熔盐中剥离成堆叠的薄片，并发现了一系列二维金属插层层状碳化物。化学剪刀介导的结构编辑法包含四种反应途径(图1A)：(i)由于Lewis酸性阳离子与A元素氧化还原势的差异，LAMS剪刀在MAX相中打开非vdW间隙(路线i)；

(ii)金属原子扩散到层间原子空位中形成MAX相以降低系统的化学能(路线ii)；

(iii)通过金属剪刀注入电子去除多层MXenes的表面末端并打开vdW间隙(路线iii)；

(iv)阴离子与氧化早期过渡金属原子配位形成末端MXenes(路线iv)。

图1|化学剪介导的MAX和MXene结构编辑方案

图2| MAX相之间的转换

实验所得Nb₂CTex MXene的SEM照片(图3A)显示出类似手风琴的形貌。低布拉格角(000l)峰的出现和最大相位衍射峰的消失(图3B)证实了Nb₂AlC向Nb₂CTex的完全转变。X射线光电子能谱(XPS)分析进一步证实了Te与Nb(ENb3d=203.5和206.3 eV)的配位。为了在熔体中刻蚀形成原子空位VA，加入了化学剪刀CuI将Al从Nb₂AlC中去除。最后观察到具有典型之字形原子排列的紧密堆积的孪晶状Nb₂C结构(图3, E和F)，表明Nb₂C层之间存在层间原子空位，为配体配位和原子插入提供了空间。

图3|MAX相转换到MXene

MAX相和二维MXenes之间的多种相互转化可以进一步丰富层状碳化物的结构编辑。首先，用化学剪刀CdCl₂剥落Ti₃AlC₂，形成Ti₃C₂Cl₂ MXene（路线I和IV）。然后，合成的多层Ti₃C₂Cl₂ MXene通过化学剪刀Al重构为多层Ti₃AlC_{2（路线III和II）。}Ti₃C₂Cl₂和Ti₃AlC_{2的特征（0002）衍射峰证实了通过LAMS蚀刻和金属辅助重建的方式成功地进行了相互转换，并且在相互转换的三个周期后，由于层厚度的减少，衍射峰变得大大地宽了（图4H）。最后形成了完全剥落的}Ti₃AlC₂和Ti₃C₂Cl₂层状物（图4，I至L）。这些层状物之间的间隔足够大，离子可以进入，这可能有利于扩散控制的电化学和催化应用。

图4| 从MXenes重构MAX相

综上所述，化学剪刀介导的结构编辑方法为MAX及其衍生的MXenes提供了一种强大而通用的方案来设计vdW和非vdW层状材料的结构和组成。规范的插层路径允许将非常规元素合并到MAX相的单原子层中，这是通过传统的冶金反应无法实现的，并允许终端对MXenes进行调节。金属插层的2D碳化物结合了MAX相和MXene相的独特结构特征，可以通过金属剪刀去除MXene的表面末端和随后在MXene片层之间容纳客原子来构建，从而进一步扩大了层状材料的家族。未来的工作应该集中在将这些2D和3D层状碳化物，以及金属插层2D碳化物分层成单层和少层纳米片，这是基本性能表征和在能源存储、电子和其他应用中充分利用这些新材料所需要的。