原文出自 Journal of Advanced Ceramics (先进陶瓷)期刊

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Li X, Huang Z, Wang H, et al. Stabilising intrinsic room-temperature ferromagnetic two-dimensional semimetallic Cr₂CT_x MXene by epitaxial self-intercalation of H₂O-etched Cr₂(AlLi)C. Journal of Advanced Ceramics, 2024, 13(10): 1546-1552. https://doi.org/10.26599/JAC.2024.9220955

DOI: 10.26599/JAC.2024.9220955

ResearchGate：https://www.researchgate.net/publication/383001911_Stabilising_intrinsic_room-temperature_ferromagnetic_two-dimensional_semimetallic_Cr2CTx_MXene_by_epitaxial_self-intercalation_of_H2O-etched_Cr2AlLiC

1、导读

本研究提出了一种仅使用水蚀刻 MAX 相来制备 MXene 的方法，该方法环境友好、高产且安全，同时通过外延自插层机制稳定 Cr₂CTₓ MXene 性质，成功制备出具有较高结晶度、较少缺陷、室温铁磁性的二维寡层 Cr₂CTₓ MXene。其饱和磁化强度比报道的 V₂C MXene 高十几倍，与其他二维材料相比，室温铁磁性更强。该研究为二维铁磁半导体材料的制备提供了新的途径。

2、研究背景

二维 MXene 材料在储能、电子印刷、电磁屏蔽等诸多领域具有广泛应用前景。然而，传统HF酸蚀刻法制备的 MXene 材料存在缺陷，影响其性能。因此，寻找一种高效且环境友好的制备方法具有重要意义。

 3、 文章亮点

(1) 首次实现室温铁磁性二维Cr₂C MXene: 该团队巧妙地利用H₂O刻蚀Cr₂(AlLi)C的办法，通过外延自插层技术，成功制备出具有室温铁磁性的Cr₂CTₓ MXene。这是该领域的一项里程碑式突破，此前室温铁磁性在二维MXene材料中鲜有报道。

(2) 高效环保的制备方法: 与传统的酸刻蚀法不同，该方法仅使用水作为刻蚀剂，不仅有效去除铝残留物，而且保持了材料的结构稳定性，实现了绿色环保的制备过程。

(3) 优异的磁性和电学性能: 合成的Cr₂CTₓ MXene表现出约0.26 emu/g的饱和磁化强度和超过353 K的居里温度，其能带隙计算值为0.75 eV，表明其具有半金属特性，这使其在自旋电子器件应用中具有巨大潜力。

4、 研究结果及结论

.1) 材料制备

Cr₂(AlLi) C 的制备：以商业纯 Cr 粉、石墨和 AlLi₂₀合金为原料，在充氩气的手套箱中通过滚筒球磨混合，然后冷压成型，在Ar保护气氛下无压烧结，得到 Cr₂(AlLi)C 块状材料，再粉碎研磨成粉末。

Cr₂C MXene 的制备：使用去离子水对 Cr₂(AlLi)C 粉末进行蚀刻，经过反应、分离、洗涤、离心提取等多步操作，得到带官能团的少层 Cr₂C (FL - Cr₂C) MXene。同时也研究了使用饱和 NaF 水溶液蚀刻的情况。

2) 反应过程及产物分析

H₂O 与 Cr₂(AlLi) C 反应生成 Al (OH)₃、LiAl₂(OH)₇・yH₂O 和 Cr₂CTₓ（T = OH 或 O），通过 XRD、SEM、TEM分析证实了这一反应过程。NaF水溶液可用于蚀刻 Cr₂(AlLi) C 以去除 Al (OH)₃并同时实现氟官能团携带（如图1）。

FL - Cr₂CTₓ MXene 呈现出独特的微观结构，如产生莫尔超晶格，通过选区电子衍射（SAED）、高分辨率透射电子显微镜（HRTEM）和能量色散谱（EDS）等手段对其结构进行了详细分析（如图2）。

图 1.Cr₂CT_x的XRD和TEM表征。A：(i)烧结Cr2(AlLi)C，(ii)与H2O反应后的产物，(iii)提纯后的Cr₂CT_x (T = OH或O)。B：（a）Cr₂CT_x MXene的SEM图，（b）Cr₂CT_x MXene的放大照片，（c）LDH和Cr₂CT_x的混合物（d）Cr₂CT_x的光镜照片。

图2 FL-Cr2CTx的微观结构 (a)FL-Cr2CTx的SAED，(b)其HRTEM图像显示旋转摩尔纹；(c)FL-Cr₂CT_x的SAED，(d)其HRTEM图像显示平移摩尔纹图案；(e)Cr₂CT_x的EDS，(f)稳定Cr₂CT_x的良好晶体特性，(g)晶格中显示的自旋交换相互作用示意图，J₁或J_z1和J_z2分别代表面内（左）或面外（右）的最近邻自旋交换相互作用，以及(h)计算铁磁性Cr₂CO₂的晶格结构

3) 室温铁磁性

Cr₂(AlLi) C 表现为顺磁性，而制备得到的产物具有典型的铁磁性，通过排除法确定 Cr₂CTₓ（T = OH，O）MXene 是呈现室温铁磁性的材料。其饱和磁化强度为 0.26 emu/g，居里温度 > 353 K。DFT 计算表明 Cr₂CO₂ MXene 在费米能级处有 0.75 eV 的小带隙，呈现半金属性质。（如图3）

图 3. 室温铁磁Cr2CTx测试及理论分析.A：Cr2(AlLi)C 和 FL-Cr2CTx 的 VSM 结果（T = O, OH）。B：计算出Cr2CO2的能带结构和态密度（DOS），红线表示自旋下降，蓝线表示自旋上升。C：Cr2CO2晶格参数对磁矩的影响。D：与其他二维材料相比，具有更高的厚度、比饱和磁化强度和居里温度;旁注表示优异性能值区间。

4) 外延自插层机制

阐述了 H₂O 蚀刻 Cr₂(AlLi) C 的外延自插层机制，包括层状双氢氧化物（LDHs）的成核和外延生长，以及通过 LDHs 和 Li 离子进行的自插层过程，解释了该过程如何影响 MXene 的形成和结构。（如图4）

图 4. 通过H₂O刻蚀Cr₂(AlLi)C实现外延自插层

5、作者及研究团队简介

第一作者：李学，北京交通大学机械与电子控制工程学院博士生。研究方向：MAX/MXenes 增强Ni基复合材料及高温力学特性

通讯作者：黄振莺，北京交通大学机械与电子控制工程学院教授，博导。长期从事MAX/MXenes陶瓷及其增强金属基复合材料的制备及应用特性研究。在该领域发表SCI论文100余篇，授权国家发明专利20余项。获北京市科学技术二等奖1项和教育部高等学校技术发明奖二等奖1项。

《先进陶瓷（英文）》（Journal of Advanced Ceramics）期刊简介

《先进陶瓷（英文）》于2012年创刊，清华大学主办，清华大学出版社出版，由清华大学材料学院新型陶瓷与精细工艺国家重点实验室提供学术支持，主编为清华大学林元华教授、郑州大学周延春教授和广东工业大学林华泰教授。该刊主要发表先进陶瓷领域的高质量原创性研究和综述类学术论文，涉及先进陶瓷的制备、结构表征、性能评价的各个细节，尤其侧重新材料研制和先进陶瓷基础科学研究等重要方面，致力于在世界先进陶瓷领域搭建学术交流平台，引领和促进先进陶瓷学科的发展。已被SCIE、Ei Compendex、Scopus、DOAJ、CSCD等数据库收录。现为月刊，年发文量近200篇，2024年6月发布的影响因子为18.6，位列Web of Science核心合集中“材料科学，陶瓷”学科31种同类期刊第1名。2024年入选“中国科技期刊卓越行动计划二期”英文领军期刊项目。

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