NML综述 | 二维过渡金属碳化物的性质、合成与应用展望

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) NbC₀.₃₈单元胞结构，C2空间群；c) NbC₀.₃₈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-V₂C；c) C-V系统相图。

3) 碳化钼

图3. Mo基TMC的体晶结构。a) fcc α-Mo_1−x；b) 六方γ-MoC和η-MoC；c) 正交β-Mo₂C；d) 正交α-Mo₂C；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Ti₃C₂Tₓ分子结构模型；c) 单层Ti₂CTₓ分子结构模型；d) C-Ti体系相图。

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) Mo₂C生长的机理，其中铜箔位于钼箔的表面；b) 石墨烯高温下Mo₂C薄片的形成；c) Mo₂C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

图8. TMCs析氢反应的交换电流和吉布斯自由能的函数图。

图9. TMCs的气体催化性能。a) 丙酮与W₁₈O₄₉/Ti₃C₂Tₓ复合材料的反应示意图；b) V₂CTₓ气体传感器传感机理示意图；c) 室温下V₂CTₓ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) Mo₂CTₓ、Mo₂CTₓ-500和β-Mo₂C的WGS催化活性。

图10. TMCs的光电性能。a) 无图案和有图案的InSe/Ti₃C₂Tₓ光电探测器的原理图；b) 不同光照密度下图案化的InSe/Ti₂CTₓ雪崩光电探测器的光响应曲线；c) Ti₃C₂Tₓ/n-Si肖特基结在光照下的能带图；d) 照明下MoS₂/p-Mo₂C杂化结构光电探测器器件示意图；e) 不同波长照明下MoS₂/p-Mo₂C混合结构光电探测器器件的ID-VG曲线；f) Ti₃C₂Tₓ/n-Si异质结构器件在不同能量密度照明下的J-V曲线。

图11. 基于Nb₂C的医疗应用。a) 二维Nb₂C在光热治疗肿瘤中的应用示意图；b) 不同浓度Nb₂C 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Nb₂C NSs水悬浮液的光热曲线；d) 小鼠静脉注射Nb₂C-PVP后血液循环寿命；e) NIR-I、NIR-II、Nb₂C- PVP+NIR-I和Nb₂C-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Nb₂C-PVP、NIRI、NIR-II、Nb₂C-PVP+NIR-I和Nb₂C-PVP+NIR-II)的时间依赖性肿瘤生长曲线。

图12. 金属碳化物的超导特性。a) 不同厚度Mo₂C薄片的超导特性；b) 不同温度下Mo₂C/石墨烯/Mo₂C结的典型直流Josephson响应；c) NbC薄片的超导特性。

IV 总结与展望