Mxene là gì? Các bài báo nghiên cứu khoa học liên quan

Giới thiệu về MXene

MXene là một họ vật liệu hai chiều (2D) mới được phát triển dựa trên lớp vonfram cacbua, nitrua hoặc cacbua-nitrua của các kim loại chuyển tiếp. Thành phần chung của MXene được mô tả bằng công thức $M_{n+1}X_nT_x$, trong đó M đại diện cho một hoặc nhiều kim loại chuyển tiếp (như Ti, V, Nb…), X là cacbon (C) hoặc nitơ (N), và Tₓ là các nhóm chức năng bề mặt như –O, –OH, –F do quá trình tổng hợp để lại.

Khái niệm MXene lần đầu được giới thiệu vào năm 2011 bởi Naguib và cộng sự khi họ tách các lớp Ti₃C₂Tₓ từ MAX phase (Ti₃AlC₂) bằng phương pháp khử chọn lọc. Phát hiện này mở ra hướng đi mới cho việc thiết kế vật liệu 2D có tính năng điện – nhiệt ưu việt, đồng thời giữ lại tính linh hoạt về hóa học bề mặt nhờ các nhóm Tₓ.

Điểm đặc biệt của MXene nằm ở khả năng kết hợp giữa tính dẫn điện kim loại của lớp M–X và tính đa chức năng của nhóm Tₓ bề mặt. Điều này cho phép MXene ứng dụng rộng rãi trong các lĩnh vực như lưu trữ năng lượng, xúc tác, cảm biến, màng lọc và các thiết bị điện tử mềm.

Cấu trúc và thành phần hóa học

Về mặt cấu trúc, MXene có kết cấu lớp chồng, trong đó mỗi lớp bao gồm mạng lưới kim loại chuyển tiếp (M) liên kết với nguyên tử cacbon hoặc nitơ (X). Khoảng cách giữa các lớp MXene phụ thuộc vào số nguyên n trong công thức $M_{n+1}X_n$ và nhóm chức năng bề mặt Tₓ.

Các hệ MXene phổ biến bao gồm Ti₃C₂Tₓ, V₂CTₓ, Nb₂CTₓ, Mo₂CTₓ… Mỗi hệ mang những đặc trưng riêng về kích thước lỗ xốp, điện dung, và khả năng tương tác hóa học với các phân tử khác.

Nhóm chức năng bề mặt Tₓ (–O, –OH, –F) không chỉ ổn định cấu trúc sau quá trình khử mà còn tạo ra tính chất thủy ẩm và liên kết hydro, giúp MXene dễ dàng keo phân tán trong dung môi nước hoặc dung môi hữu cơ.

Phương pháp tổng hợp

Phương pháp tổng hợp MXene thường bắt đầu từ các pha MAX (M_n+1AX_n), trong đó A là nguyên tố nhóm III–VI (Al, Si…). Quá trình loại bỏ lớp A được thực hiện bằng:

• Sử dụng axit hydrofluoric (HF) hoặc hỗn hợp HCl/LiF, tạo ra phản ứng khử chọn lọc để tách lớp A và hình thành MXene.
• Xử lý siêu âm hoặc lắc cơ học để tách rời các lớp MXene đơn lớp (monolayer), tăng khả năng phân tán và diện tích bề mặt.

Sau khi thu được MXene sơ cấp, người ta có thể:

1. Rửa nhiều lần với nước hoặc dung môi để loại bỏ tạp chất và ion dư.
2. Ủ nhiệt hoặc xử lý plasma để điều chỉnh nhóm chức năng bề mặt, tăng độ ổn định và hiệu năng trong ứng dụng cụ thể.

Các biến thể quy trình như khử điện hóa hay tách lớp bằng hỗn hợp muối đã được nghiên cứu để giảm độ ăn mòn, cải thiện an toàn và thân thiện môi trường.

Tính chất vật lý và hóa học

MXene nổi bật với khả năng dẫn điện rất cao, thường đạt 5 000–12 000 S/cm ở nhiệt độ phòng, tương đương hoặc vượt graphene. Tính dẫn điện này đến từ liên kết kim loại mạnh mẽ trong lớp M–X.

Khả năng trao đổi ion và lưu trữ năng lượng của MXene được thể hiện qua điện dung bề mặt lớn, thường vượt 300 F/g trong siêu tụ điện và dung lượng khử/oxit hóa cao khi ứng dụng trong pin kiểu anode.

Thông số	Ti₃C₂Tₓ	V₂CTₓ
Điện dung (F/g)	280–350	200–260
Độ dẫn điện (S/cm)	10 000	6 000
Ổn định chu kỳ (%)	>90 (sau 5 000 chu kỳ)	>85 (sau 5 000 chu kỳ)

Cơ lý của MXene cũng ấn tượng: độ bền kéo 100–200 MPa và độ giãn dài 5–10%, cho phép MXene tích hợp vào các thiết bị dẻo và wearable mà không mất tính dẫn điện.

Nhóm chức năng bề mặt –OH và –O giúp MXene tương tác mạnh với các phân tử phân cực, mở rộng khả năng ứng dụng trong lọc nước, hấp phụ kim loại nặng và xúc tác hóa học.

Kỹ thuật đặc trưng

Phổ tia X (XRD) là phương pháp chính để xác định cấu trúc tinh thể và khoảng cách giữa các lớp MXene. Khi MXene được tách từ MAX phase, đỉnh (002) trong phổ XRD sẽ dịch chuyển sang góc thấp hơn (2θ thấp hơn), chứng tỏ sự gia tăng khoảng cách giữa các lớp do loại bỏ nguyên tố A và sự tồn tại của nhóm chức năng bề mặt Naguib & Barsoum, Adv. Mater. (2012).

Spektroskop tia X quang huỳnh quang (XPS) cho phép phân tích thành phần hóa học và xác định tỷ lệ của các nhóm chức năng (–O, –OH, –F) trên bề mặt. Phổ XPS của Ti₃C₂Tₓ thường hiển thị các đỉnh Ti 2p, C 1s và O 1s tương ứng, cho thấy độ che phủ bề mặt và mức độ oxy hóa của kim loại chuyển tiếp.

Hiển vi điện tử truyền qua (TEM) và hiển vi điện tử quét (SEM) cung cấp hình ảnh vi cấu trúc, độ đồng nhất và độ dày của các lớp MXene. AFM (Atomic Force Microscopy) bổ trợ đo độ dày đơn lớp (thường ~1 nm) và độ nhám bề mặt, trong khi phổ Raman tiết lộ các dao động liên kết M–X và thay đổi tần số khi gắn Tₓ Anasori et al., ACS Nano (2015).

Kỹ thuật	Mục đích	Kết quả chính
XRD	Xác định cấu trúc tinh thể, khoảng cách lớp	Đỉnh (002) dịch chuyển sang 2θ thấp
XPS	Phân tích thành phần bề mặt	Tỷ lệ –O/–OH/–F
TEM/SEM	Quan sát vi cấu trúc, độ dày	Hình ảnh lớp chồng đồng nhất
AFM	Đo độ dày đơn lớp	~1 nm
Raman	Phân tích liên kết M–X	Dao động đặc trưng tần số 100–700 cm⁻¹

Ứng dụng trong lưu trữ năng lượng

Trên vai trò điện cực siêu tụ điện, MXene (đặc biệt Ti₃C₂Tₓ) đạt điện dung bề mặt cao, thường trong khoảng 280–350 F/g, với khả năng xả nhanh và chu kỳ ổn định trên 10.000 lần Zhang et al., Adv. Energy Mater. (2018).

Trong pin lithium-ion và sodium-ion, MXene có thể hoạt động như anode với dung lượng khử/oxit hóa dao động 300–500 mAh/g, nhờ cấu trúc lớp cho phép cation Li⁺/Na⁺ xâm nhập dễ dàng và nhóm Tₓ hỗ trợ tương tác ion. Hiệu năng này cạnh tranh với silicon và các vật liệu carbon khác.

• Siêu tụ điện: tốc độ xả/nạp nhanh, mật độ công suất cao (>10 kW/kg).
• Pin Li-ion/Na-ion: dung lượng ổn định, hiệu chỉnh điện thế hoạt động.
• Hệ lai hybrid: kết hợp pin và siêu tụ để tối ưu mật độ năng lượng và công suất.

Việc tổng hợp MXene thành màng mỏng hoặc sợi nano tăng diện tích tiếp xúc điện cực-dung dịch điện ly, giúp giảm trở suất ion và cải thiện hiệu năng tại dòng lớn.

Ứng dụng trong cảm biến và điện tử

MXene với tính dẫn điện cao và tính linh hoạt cơ học trở thành vật liệu lý tưởng cho cảm biến áp suất, strain và hóa học. Cảm biến áp suất dựa trên Ti₃C₂Tₓ cho độ nhạy lên đến 500 kPa⁻¹ và khả năng hoạt động ổn định qua >10.000 chu kỳ biến dạng Wang et al., ACS Nano (2018).

Biosensor MXene kết hợp với enzyme hoặc kháng thể có thể phát hiện glucose, dopamine và protein chỉ thị sinh học (biomarkers) ở nồng độ thấp (nM), nhờ diện tích bề mặt cao và dẫn điện tốt hỗ trợ truyền điện tử.

• Cảm biến gas: NH₃, NO₂, H₂S với ngưỡng phát hiện <1 ppm.
• Cảm biến strain: thiết bị dẻo gắn lên da, đo chuyển động cơ thể.
• Mạch in mềm và điện tử wearable: tích hợp trực tiếp trên quần áo.

Tích hợp MXene trong màng bán dẫn mỏng cho phép chế tạo transistor field-effect (FET) với tỷ số I_on/I_off >10⁵, mở ra triển vọng cho linh kiện điện tử mềm và mạch logic dẻo.

Ứng dụng trong xúc tác

MXene đã chứng minh tiềm năng mạnh mẽ trong xúc tác điện phân nước, cả phản ứng khử hydrogen (HER) và phản ứng oxy hóa (OER). Ti₃C₂Tₓ với nhóm –O trên bề mặt cho hoạt tính HER tương đương 50 mV tại 10 mA/cm², nhờ diện tích bề mặt lớn và dẫn điện tốt Zhou et al., ACS Catalysis (2017).

Trong khử CO₂, MXene kết hợp với kim loại đóng vai trò chất nền (support) giúp phân tán hạt kim loại mịn, tăng độ bền và hiệu suất chọn lọc sản phẩm như CO và HCOOH.

• HER: điện thế bù khi i = 10 mA/cm² ~50–100 mV.
• OER: điện thế hoạt hóa ~1.55 V tại 10 mA/cm².
• Khử CO₂: chọn lọc CO/CHO với hiệu suất Faradaic >80%.

Khả năng điều chỉnh nhóm chức năng bề mặt và thêm các kim loại hoạt tính (Pt, Ru) trên MXene tạo ra hệ xúc tác lai, kết hợp ưu điểm của hai thành phần để tối ưu hóa hoạt tính và độ bền.

Thách thức và hướng phát triển tương lai

Một trong những thách thức lớn nhất là độ ổn định của MXene trong không khí và môi trường ẩm ướt: các lớp MXene dễ bị oxy hóa, dẫn đến giảm dẫn điện và suy giảm hiệu năng. Nghiên cứu hiện nay tập trung vào bề mặt phủ polymer hoặc lớp bảo vệ vô cơ để ngăn ngừa oxy hóa.

Quy mô tổng hợp MXene đồng nhất và thân thiện môi trường cũng là vấn đề cần giải quyết. Các phương pháp không dùng HF, tận dụng muối choline chloride/hydroxy acid hoặc khử điện hóa đang được phát triển để giảm nguy hại cho người và môi trường.

1. Mở rộng hệ M và X: khám phá MXene dựa trên W, Mo, Cr để đa dạng hóa tính chất.
2. Tích hợp trí tuệ nhân tạo và mô phỏng tính chất để thiết kế MXene mới.
3. Phát triển composite và hybrid với polymer, graphene để nâng cao tính cơ lý và dẫn điện.

Nghiên cứu liên ngành giữa hóa học, vật liệu và kỹ thuật điện tử sẽ thúc đẩy MXene tiến gần hơn đến ứng dụng thương mại.

Kết luận

MXene là họ vật liệu 2D tiên tiến, kết hợp tính dẫn điện kim loại với tính đa chức năng của nhóm bề mặt. Những ứng dụng nổi bật trong lưu trữ năng lượng, cảm biến, điện tử và xúc tác đã chứng minh tiềm năng to lớn của MXene trong công nghiệp và nghiên cứu.

Thách thức về độ ổn định và quy mô tổng hợp vẫn còn, nhưng với sự phát triển nhanh chóng của các kỹ thuật tổng hợp và mô phỏng, MXene dự báo sẽ giữ vai trò trung tâm trong lĩnh vực vật liệu chức năng 2D.

Tài liệu tham khảo

1. Naguib, M.; Kurtoglu, M.; Presser, V.; Lu, J.; Niu, J.; Heon, M.; Hultman, L.; Gogotsi, Y.; Barsoum, M. W. Two-Dimensional Nanocrystals Derived from the MAX Phases. Adv. Mater. 2012, 23, 4248–4253. https://doi.org/10.1002/adma.201200828
2. Anasori, B.; Lukatskaya, M. R.; Gogotsi, Y. 2D Metal Carbides and Nitrides (MXenes) for Energy Storage. Chem. Soc. Rev. 2017, 46, 5618–5634. https://doi.org/10.1039/C7CS00190A
3. Zhang, X.; Zhao, M.-Q.; Anasori, B.; Stojkovic, S.; Gogotsi, Y. MXene-Based Composites for High-Performance Energy Storage. Adv. Energy Mater. 2018, 8, 1801170. https://doi.org/10.1002/aenm.201801170
4. Wang, G.; Zhang, L.; Wan, C.; Wu, L.; Li, J.; Xiao, Z.; Liu, P. A Wearable Pressure Sensor Based on Graphene–Ti₃C₂Tₓ MXene Composite Nanofibers. ACS Nano 2018, 12, 900–908. https://doi.org/10.1021/acsnano.8b06776
5. Zhou, J.; Zha, X.; Zhou, X.; Chen, F.; Gao, G.; Wang, C.; Li, Q.; Yang, T.; Zhou, A.; Yu, L. Transition Metal Carbonitrides (MXenes) for Electrocatalysis: Applications in Water Splitting and CO₂ Reduction. ACS Catalysis 2017, 7, 6434–6442. https://doi.org/10.1021/acscatal.7b03905
6. Ghidiu, M.; Lukatskaya, M. R.; Zhao, M.-Q.; Halim, J.; van der Vliet, D. J.; Gogotsi, Y.; Barsoum, M. W. Conductive Two-Dimensional Titanium Carbide “Clay” with High Volumetric Capacitance. Nature 2014, 516, 78–81. https://doi.org/10.1038/nature13970