执行摘要
- MXene 是一类具有独特性能的二维材料，其成分可根据多种应用需求进行调整。
- MXene 被应用于电池、超级电容器及其他储能组件，同时也用于电子设备、传感器和环境修复等领域。
- 碳化钛是 MXene 成分中最常见的物质。
- 通过使用 CAS Lexicon 及其他先进的 CAS 解决方案，可以更轻松地识别这一快速发展领域中的专利趋势和研究重点。
MXene 是一类二维过渡金属碳化物、氮化物和碳氮化物，自 2011 年被发现以来，已成为极具变革性的材料。MXene 拥有一种罕见的性能组合，使其区别于其他二维材料：兼具金属导电性与亲水性、室温下的溶液加工性以及可调控的表面化学性质。它们既具备金属般的导电性，又拥有聚合物般的机械柔韧性，且表面亲水性可进行化学调控。极少有材料能提供如此多功能性，这也是 MXene 在短短十余年间受到高度研究关注的原因。
MXene 的通式为 Mn+1XnTx，其中 M 代表过渡金属，X 代表碳或氮，n = 1-3，Tx 表示表面端基，如 -O、-OH、-F 或 -Cl。目前已知的 MXene 成分超过 30 种，计算预测显示还有数千种可能。研究人员可以通过改变其表面端基来调节导电性、稳定性、催化活性和离子传输性能。这种可调性使 MXene 在设计上比石墨烯或过渡金属硫族化合物等其他二维材料具有巨大优势，并使其成为定制化、特定任务技术应用的有力候选材料。石墨烯 或过渡金属硫族化合物，并使其成为定制化、特定任务技术应用的有力候选材料。
材料研究人员可以使用 CAS SciFinder 搜索材料科学文献，识别支持创新的结构-性能关系和合成方法。
例如，MXene 可以分散在水中，通过多种表面基团进行改性，并能通过简单的混合集成到复合材料中，这使其在能源存储、催化、电子和环境修复等多种多功能应用中具有独特的易用性。我们分析了 CAS Content CollectionTM（全球最大的人工标引科学信息库），以深入了解这些材料在各行业和应用中的使用情况。我们发现，期刊和专利出版物在过去十年（2015-2026 年）中呈现显著增长，其中专利占出版物总数的 22%（见图 1）：
MXene 的应用涵盖能源转型、生物医学设备等领域
MXene 如何从实验室走向通用？为了回答这个问题，我们分析了 CAS Lexicon（CAS SciFinder® 中的一种专业搜索功能）中 MXene 的出现频率，以识别出版物中的概念。这些概念包括应用、属性、物质类别和合成方法。我们首先识别了 MXene 的应用概念，并将其归类到更广泛的应用领域中（见图 2）。
能源存储是研究最多的应用领域，这归功于 MXene 在电池负极和超级电容器中的作用，体现了其卓越的体积电容和优异的倍率性能。值得注意的是，该技术已超越传统的锂离子系统，扩展至钠离子、锂硫和新兴的锌离子电池。
MXene 独特的金属导电性和加工性能使其成为电子、电信和航空航天领域下一代电磁屏蔽的理想选择。催化应用涵盖电化学催化剂、光催化剂和专门的析氢反应催化剂。这种多样性凸显了 MXene 可调控的表面化学性质，以及它们作为独立催化剂和活性物质导电载体的有效性。
一些应用表现出极高的专利与期刊比率。涂层以 48% 的专利覆盖率领先，特别是防腐涂层和通用涂层材料。MXene 的阻隔性能、机械柔韧性和多功能性推动了其在涂层领域的应用。MXene 增强纺织品（43% 专利）提供集成传感、加热和抗菌性能，而基于 MXene 的膜（39% 专利）在海水淡化和水净化应用中表现出色。防火应用（37% 专利）则受益于 MXene 的热稳定性和阻隔效应。
传感器是一个快速发展的领域，其应用形式多样，包括生物传感器、气体传感器和可穿戴传感器。适中的专利强度表明该市场尚处于早期阶段，不过压力和应变传感器已表现出较高的商业活跃度。生物医学应用涵盖抗菌剂、光热疗法和伤口愈合。光热试剂的高专利覆盖率（26%）表明癌症治疗应用具有强劲的商业前景。
MXene 在研究格局中的作用
CAS 内容合集（CAS Content Collection）中索引的单一物质和物质类别“概念”会根据相关研究的性质被赋予相应的“角色”。我们利用这些 CAS 索引角色来深入了解涉及 MXene 的具体研究类型（见图 3）。
该分析揭示了 MXene 从基础性能表征到先进技术应用的多方面作用。通过进一步利用 CAS 词库“概念”，我们确定了与 MXene 相关的最突出“角色”的具体细节：
- 技术与工程材料：MXene 主要用作活性材料，其中复合材料是最大的应用类别。研究人员广泛将 MXene 掺入纳米复合材料和薄膜中，利用其二维结构构建多功能材料。对纳米结构材料和半导体异质结的重点关注，凸显了 MXene 在下一代电子和光电子学中的作用。值得注意的是，电磁屏蔽和储能系统是主要的技术应用领域，而对气凝胶的研究则表明人们对用于轻量化、高性能应用的 MXene 三维架构充满兴趣。
- 性能：理解 MXene 的性能仍是研究的重中之重，因为表面终端和形貌对于决定 MXene 的性能至关重要。导电性和比表面积是 MXene 在储能和催化领域取得成功的根本特性。对微观结构、电化学性能和阻抗的强调，反映了该材料在电化学应用中的重要地位。对电子转移、吸附和结合能的研究提供了对于合理材料设计至关重要的机理见解。对电流密度和孔径分布的关注则与优化电池、超级电容器和催化系统中的性能有关。
- 纳米材料：MXene 主要以纳米片形式存在，这反映了其从 MAX 相剥离后固有的二维特性。关于 MXene 基纳米复合材料的大量研究展示了将 MXene 与互补材料结合以增强功能的策略。对纳米结构材料的研究表明，人们正致力于构建超越简单纳米片的层级架构。
- 合成制备：刻蚀仍是主流的合成方法。这主要涉及使用氢氟酸（HF）或原位 HF 方法选择性去除 MAX 相中的 A 层。水热反应作为一种合成方法，反映了开发替代性、潜在更安全且更环保的合成路线的持续努力，尽管与传统刻蚀技术相比，其所占比例较小。
- 物理与工程过程：MXene 经历了各种工艺过程，其中储能尤为突出，凸显了其通过离子嵌入和表面氧化还原反应在电池和超级电容器电荷存储机制中的作用。
- 改性剂与添加剂：除了作为主要的活性材料外，MXene 还可有效用作改性剂，特别是在电磁屏蔽和纳米复合材料领域。将其掺入水凝胶中，扩展了其在生物医学和软材料领域的应用。关于阻燃材料和防火剂的大量研究，展示了 MXene 利用其热稳定性和阻隔性能所具备的保护能力。
- 催化剂：析氢反应是一项主要的催化应用，使 MXene 成为可持续氢能生产和水分解技术中极具前景的材料。
纳米复合材料、水凝胶、气凝胶、薄膜和纳米结构材料等复合材料的普及，凸显了 MXene 的优势与局限。MXene 作为多功能增强剂表现出色，但需要复合架构才能实现最佳性能。其金属导电性、亲水性和溶液加工性使其能够无缝集成到聚合物、氧化物、碳等多种基体中，从而解决 MXene 常见的机械脆性和易氧化等局限性。将 MXene 纳入这些基体中，通过协同组合利用了传统材料所不具备的独特性能。
最常见的 MXene 物质
如前所述，目前已知的 MXene 成分超过 30 种，且未来还有可能发现数百种。我们考察了 30 种最常见 MXene 的专利占比，发现碳化钛（Ti₃C₂）在 MXene 研究中占据绝对主导地位（见图 4）。
碳化钛出版物的集中度反映了 Ti₃C₂ 可通过 Ti₃AlC₂ 轻松合成、具有优异的导电性以及应用广泛的特点。除 Ti₃C₂ 外，研究正向早期过渡金属碳化物多元化发展，且专利强度显著更高：尽管出版物数量较少，但 Ti₂C、V₂C 和 Nb₂C 已表现出强劲的商业兴趣。
高阶 MXene（如 Ta₄C₃ 和碳氮化铌钛 NbTiC）表现出极高的专利与出版物比率，表明这些是处于早期阶段但具有高价值的创新。值得注意的是，Ti₃C₂ 的表面终端变体（包括氧化物、氢氧化物、氟化物和氯化物形式）共同代表了大量的研究，且专利覆盖率各不相同。氧化物终端的 MXene 专利活动始终处于最低水平（0-2%），这可能表明其研究重点在于基础研究；而碳氮化物和多金属 MXene 则表现出更高的商业兴趣，凸显了其通过成分工程进行性能调控的潜力。
了解特定的 MXene 类型
单一的 MXene 物质被索引在 CAS REGISTRY® 中，并包含如前所述的物质名称、CAS 号、分子式和“角色”等详细信息。我们在CAS REGISTRY 中确定了特定类型的 MXene，并按关键参数对其进行分类，以便更好地了解各种类型：
MXenes classified by stoichiometry
MXene stoichiometry significantly influences application focus, as evidenced by publication distribution (see Figure 5). M₃X₂(n=2) dominates the literature, reflecting its superior stability and ease of synthesis compared to M₂X(n=1) and M₄X₃(n=3), and it showed the highest growth in the last three years.
Energy storage leads all stoichiometries but shows varying preference with layer thickness of individual MXene layers: M₂X, M₄X₃, and M₃X₂. Thicker MXenes (M₄X₃) provide more interlayer galleries for ion intercalation, enhancing battery capacity. Conversely, M₂X's higher energy storage focus reflects fewer competing applications.
Catalysis favors M₂X over M₃X₂ and M₄X₃, as thinner structures offer higher surface-area-to-volume ratios and more exposed active edge sites for catalytic reactions. The larger surface area of M₂X facilitates electron transfer and reactant accessibility. Electromagnetic shielding strongly favors M₃X₂ (11%) due to optimal balance between conductivity and processability. M₂X's lower representation suggests insufficient shielding effectiveness from single-layer structures.
M₄X₃'s distinctive strength in coatings stems from superior mechanical properties and thickness, providing better barrier protection. The rarity of M₄X₃ publications reflects challenging synthesis, requiring precise MAX phase etching control. The high percentage of patents in M4X3 can be attributed to its usage in patent-heavy applications such as energy storage, coatings, and membranes.
MXenes classified by transition metals
Titanium-based MXenes overwhelmingly dominate the field, primarily due to Ti₃C₂Tₓ's accessible synthesis from commercially available Ti₃AlC₂ MAX phases, excellent stability, and well-characterized properties. Ti MXenes show balanced application distribution, serving as the versatile "workhorse" across all fields (see Figure 6).
Catalytic activity correlates strongly with metal identity. Mo and W MXenes exhibit exceptional catalytic focus, attributed to their optimal hydrogen binding energies and multiple oxidation states favoring hydrogen evolution reactions. Mo-Ti double-metal MXenes achieve the highest catalytic representation, demonstrating synergistic effects from combining metals with different electronic structures.
Energy storage preferences vary systematically: V (60%) and Sc (57%) MXenes show the highest focus, reflecting their multiple accessible oxidation states enabling pseudocapacitive charge storage. Group V metals (V, Nb, Ta) consistently show 49-60% energy storage focus due to favorable redox activity and ionic intercalation properties.
Early transition metals (Sc, Y, Zr, Hf) receive less attention due to challenging MAX phase synthesis and higher reactivity. However, Hf and Zr MXenes show strong catalytic applications benefiting from high work functions and unique electronic structures. The scarcity of W and Y publications reflects difficult synthesis and limited MAX phase precursor availability, despite their promising catalytic performance.
MXenes classified by anions
MXene research is overwhelmingly dominated by carbide-based compositions (97% of publications), while nitrides and carbonitrides remain relatively underexplored. This disparity reflects the synthetic accessibility of carbide MXenes, particularly Ti₃C₂Tₓ, which forms readily through selective etching of MAX phases. Carbides and nitrides show high growth in the last three years (see Figure 7).
Application patterns reveal distinct anion-dependent preferences. Energy storage dominates across all types, with nitrides showing the highest focus, likely due to their superior electronic conductivity and enhanced lithium-ion diffusion kinetics compared to carbides. Nitride MXenes also demonstrate exceptional catalytic activity, attributed to their optimal d-band center positioning and nitrogen-induced electronic modifications that enhance surface reactivity.
Carbonitrides occupy a unique middle ground, showing balanced performance across energy storage and electromagnetic shielding. Carbide MXenes exhibit the broadest application diversity, including significant representation in sensors, electromagnetic shielding, and biomedical applications, reflecting their versatile surface chemistry, hydrophilicity, and established functionalization protocols. The limited nitride research suggests substantial untapped potential in emerging applications.
MXenes classified by surface terminations
Surface terminations in MXenes are functional groups that bind to the transition metal surface during the etching of MAX phases. These critically influence MXene properties and application suitability, as evidenced by distinct research patterns (see Figure 8).
氧封端的 MXene 在文献中占据主导地位，并在所有封端中表现出最高的催化活性。这反映了氧能够创造活性氧化还原位点，并为反应中间体提供最佳结合能，这对电催化和光催化尤为有利。
氟封端表现出增强的电化学稳定性和疏水特性，使其成为循环稳定性至关重要的储能应用的首选。强大的 C-F 键可抵抗氧化并延长使用寿命。羟基赋予了优异的亲水性和溶液加工性，使其在传感器和修复领域得到广泛应用。其氢键结合能力有助于控制层间距并锚定功能分子。
值得注意的是，氯和硫封端在储能方面表现最为突出，这归因于它们比氧/氟更弱的电负性，从而增强了离子嵌入动力学和赝电容行为。然而，它们的合成难度和较低的稳定性限制了更广泛的探索，同时也为高性能储能系统的新兴研究提供了重要机遇。
MXene 创新的下一步方向
凭借其高性能和独特的可调性，MXene 展现出极高的多功能性，这是其他材料家族难以比拟的。它们具有导电性、柔韧性，且可分散在水中，研究人员正将其应用于从电动汽车组件和电池到导电油墨和特种膜等多个领域。
MXene 研究表明，物质组成正超越 Ti₃C₂ 的主导地位而趋于多样化。尽管发表的论文数量有限，但新兴成分（特别是双过渡金属、M4X3(n=3)、碳氮化物和替代封端 MXene）在专利密集型应用中正日益普及。这一趋势预示着在电磁屏蔽、先进涂层、纺织品和下一代储能等专业应用领域可能取得商业突破。
未来的发展重点可能在于可扩展的合成方法、长期稳定性解决方案以及针对特定应用的成分工程，从而将 MXene 的实验室潜力转化为工业现实。
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