二维层状纳米材料MXenes的制备方法及其在光催化领域中的应用

常 春，黄心悦，王 琼

(渤海大学 a.化学与材料工程学院；b.海洋研究院，辽宁 锦州 121013)

1 研究现状

1972年，Fujishima等[1]在《Nature》上发表了关于TiO2电极上光解水的论文，开启了半导体光催化时代的新纪元。光催化技术能够将低密度的太阳能转化为高密度的电能和化学能，直接用于水分解制氢和环境中污染物的去除，在解决当今社会人类面临的能源短缺与环境污染等问题方面具有重要的应用前景[2]。光催化太阳能转化可以分为3个过程：光吸收、光生电子空穴对的分离与迁移、表界面化学反应。其中，光生载流子的有效分离和迁移是光催化反应的限速步骤。传统光催化剂由于光生载流子的复合率高而表现出较低的催化效率，虽然使用贵金属作为助催化剂可以促进光生载流子的有效分离，却会增加成本。因此，开发一种高效且廉价的助催化剂至关重要[3]。

2000年，Barsoum等[4]将具有Mn+1AXn(n=1～3)化学通式的三元层状碳氮化合物统称为MAX相，其中M为过渡金属元素，A主要为第三主族和第四主族元素，X为碳或氮元素。到目前为止，MAX相家族已经扩员到100余种，M位已经拓展到镧系稀土，A位已经添加了含未满d电子的副族元素，X位则增加了硼元素，如图1所示[5]。MAX相晶体结构中Mn+1Xn单元层具有较强的共价键，而A层原子与相邻M层原子的电子云重叠较低，导致结合较弱，利用这种结构可将Mn+1Xn从MAX中分离出来，制备一大类二维过渡族金属碳/氮化物材料，如图2所示[5]。

图1 目前已合成MAX相的组元分布

图2 M2X，M3X2，和M4X3的结构示意图

2011年，Naguib等[6-7]利用氢氟酸(HF)刻蚀Ti3AlC2中的铝原子层，首次制备了Ti3C2Tx二维材料(Tx为Ti3C2表面的基团)，其原子结构与石墨烯(graphene)中碳原子堆积方式相似，于是从Mn+1Xn和Graphene中各取关键词，将其命名为MXene。此后，它的许多优良性质被陆续发现，MXenes作为一类新型的二维功能材料走进人们的视野，并引起学术界的广泛关注。二维MXenes材料因载流子迁移和热量扩散都被限制在二维平面内，使得这种材料展现出许多奇特的性质，如具有极高的比表面积、非凡的光学性质以及光电和电化学特性，可以作为光催化剂，在环境与能源领域发挥作用。本文中结合近年来二维材料MXenes的研究成果，对其结构、性质、制备方法及其在光催化领域的应用进行了综述。

2 MXenes的理化性质

2.1 化学性质

MXenes化学性质的不同主要是由于其表面插入的官能团不同，一般为-O，-OH和-F等。据相关数据表明，其表面官能团的种类与氢氟酸浓度有关[8]。通常，较低浓度的氢氟酸会导致较大的O/F比。此外，刻蚀剂也很重要。例如，当用LiF+HCl腐蚀MXenes时，可以得到以-O端基终止的MXenes，而用氢氟酸腐蚀MXenes时，可以得到以-F端基终止的MXenes[9]。由理论计算可知，与纯相Ti3C2相比，经氟化和羟基化处理后带有-F或-O终端的Ti3C2均可吸收波长在300～500 nm范围内的光[10]。

2.2 光学性质

大多数纯相MXenes的禁带宽度约为2.7 eV，光吸收较差。此外，这种材料的载流子复合率较高。因此，MXenes可以作为一种高效的助催化剂与其他半导体材料耦合形成肖特基结或者异质结，从而在光催化反应过程中有效地抑制光生电子空穴对的复合，提高光生电荷的利用效率[11]。例如，纯相Zr2CO2在波长300～500 nm范围有吸收，施加范德华力促使Zr2CO2和蓝磷发生耦合效应，在双轴压缩应变下，Zr2CO2的禁带宽度会改变，从而使它的光吸收范围向可见光区发生偏移。总而言之，MXenes的光学性质有利于提高光的捕获率[12]。

2.3 电学性质

研究人员在实验过程中发现，可以通过改变表面终端基团和元素组成来调整MXenes的电学特性。MXenes在费米能级附近有相当大的电子密度，电子云密度过高说明电子的数量多且运动频繁。由于负电荷多，缺电子的基团容易与它反应，使其电学性能得到增强。Zhang等[13]运用密度泛函理论进行计算时发现，载流子在单层的-O吸附的TiCO2材料上沿X轴和Y轴均有强烈的各向异性。沿X轴的传输速度更快，但无论沿哪个方向传输，空穴的传输速率都比电子高100倍，可以达到104cm2V-1·s-1。以上结果说明了在MXenes中，空穴的传输速度远高于电子。

2.4 力学性质

Ghidiu等[14]采用盐酸和氟化锂的混合溶液刻蚀得到的MXenes具有亲水性能，与水混合时体积膨胀，能像粘土一样成型，可通过挤压制备性能良好的MXenes 薄膜。这种导电薄膜具有良好的柔韧性、可折叠性，具有一定的强度，可反复处理而保持结构完整。Ling等[15]将一些聚合物(如聚乙烯醇(PVA)与Ti3C2)紧密结合，形成MXenes-VA-MXenes 交替出现的层状结构，当PVA担载量达到60 wt%时，该复合材料比纯相Ti3C2Tx薄膜的强度高4倍。这些薄膜能在能量存储、电化学致动器、射频屏蔽等领域发挥重要作用。

2.5 磁学性能

相关理论研究结果表明：Tin+1Cn和Tin+1Nn(n=1～9)均有磁性，大多数的MXenes在官能团化后磁性会随之消失。然而，在二维片层材料中，Cr2C和Cr2N是例外，在官能团化前后的铁磁性都很好。此外，采用不同计算方式时，MXenes的磁性也存在显著差异。例如，利用LDA密度泛函理论(local-density approximation)预测Ta2C和Ta4C3的磁性性能，结果为无磁性和反铁磁性材料；若利用PBEsol(Perdew-Burke-Ernzerhof)方法预测它们，则分别为反铁磁性和无磁性。除此之外，应力加入也会改变MXenes的磁学性能，使拉伸应力逐渐增大，原本无磁性的MXenes也会发生磁性转变的现象。

2.6 稳定性

据Green小组报道，周围介质能影响MXenes的氧化速率[16]。单一MXenes薄片在氧气和水存在条件下会经历分解过程。在高温或紫外线照射下，MXenes薄片的氧化分解速度还会加快。因此，MXenes需要在无氧、黑暗环境中冷冻储存。与在水相中相比，MXenes在有机溶剂、空气和固体介质中的氧化速率会慢一些。为了抑制MXenes的氧化速度，近年来，出现了许多抗氧化剂，例如L-抗坏血酸钠。抗氧化剂的存在使得MXenes能不与溶解的氧气和水分子直接接触。如图3所示，在加入L-抗坏血酸钠的情况下，Ti3C2Tx在6个月后仍保持其制备后的外观。然而，在没有抗氧化剂的情况下，Ti3C2Tx被氧化、降解形成TiO2和碳[17]。

图3 L-抗坏血酸钠稳定的保存的Ti3C2Tx纳米片示意图

2.7 分散性

Maleski等详细考察了薄层状 Ti3C2在各种溶液中的分散性，并对溶液进行超声分散，将分散时间为0、24、96 h的3组溶液进行对比。使用的有机溶剂可分为三大类别，包括极性质子溶剂：H2O、乙醇、甲醇；极性非质子溶剂：丙酮、乙腈(ACN)、二甲亚砜(DMSO)、N，N-二甲基甲酰胺(DMF)、N-甲基吡咯烷酮(NMP)、碳酸丙烯酯(PC)；非极性溶剂：邻二氯苯(DCB)、甲苯、己烷。研究结果表明：Ti3C2在DMSO、DMF、NMP、PC、乙醇和H2O中都能形成稳定的分散溶胶(图4)。通过进一步对各溶剂性质进行分析和总结，发现Ti3C2在各种溶剂中的分散性依赖于溶剂的表面张力，Ti3C2可在表面张力大于40 mN/m的溶剂中形成稳定的溶胶[18]。

图4 50% HF-刻蚀Ti3C2在12种溶剂中的分散情况示意图

3 MXenes的制备方法

3.1 含氟化合物刻蚀法

这类方法主要通过刻蚀液侵蚀MAX相制备MXenes，刻蚀液中大都含有氟离子。例如，氟化氢铵、氢氟酸和盐酸与氟化锂的混合物等。

3.1.1氢氟酸刻蚀法

氢氟酸水溶液选择性刻蚀MAX相中的A原子层制备MXenes是目前最常见的方法。Barsoum等[6]于2011年首次制备MXenes时就是使用氢氟酸刻蚀法制成。用氢氟酸水溶液刻蚀掉A原子层是因为M-A的金属键与M-X的化学键结合力相比要更弱，更容易被打断(图5)。氢氟酸将Mn+1AXn中的A刻蚀后，得到含有终端官能团的多层Mn+1XnTx，其中终端官能团T常为-O、-F、-OH等基团[19]。通过氢氟酸刻蚀法制备MXenes的化学过程推测如下：

图5 Ti3C2Tx的剥离过程示意图

Mn+1AXn+3HF→AF3+Mn+1Xn+1.5H2

Mn+1Xn+2H2O→Mn+1Xn(OH)2+H2

Mn+1Xn+2HF→Mn+1XnF2+H2

这类制备方法并不高效，会存在蚀刻时间过长、蚀刻不均匀的现象。同时，长期使用高浓度的氢氟酸会对实验人员的身体造成伤害。制备后的废液中会残留许多污染环境的高浓度化学物质，如未反应的氢氟酸溶液和析出的重金属等，这些物质均会对环境和人体健康造成不良影响。

3.1.2氟化物制备法

科研人员通过不断研究发现，化学性质更温和的氟化氢铵(NH4HF2)可以代替氢氟酸作为刻蚀剂制备MXenes，制备出的MXenes展现出更好的热稳定性。利用氢氟酸刻蚀Ti3C2，当温度为200 ℃时就会产生TiO2；在使用NH4HF2蚀刻Ti3C2的过程中，当温度达到500 ℃时才会有锐钛矿TiO2生成；当温度上升到650 ℃和900 ℃时，Ti3C2的表面尽管也会存在少量TiO2纳米颗粒，但其自身结构保持完整，因此使用NH4HF2作为刻蚀剂时制备的Ti3C2具有更高的热稳定性[7]。

Halim等[20]利用NH4HF2刻蚀Ti3AlC2薄膜，成功合成了Ti3C2Tx。经过表征对比发现，使用NH4HF2作为刻蚀剂可获得层间距更加均匀的产物(Ti3C2Tx-NH4HF2)。由于NH4HF2的化学性质较温和，致使刻蚀进程较慢且不彻底，导致MXenes的均一性受到影响。

Ghidiu等[14]采用氟化锂盐(LiF)和盐酸(HCl)作为刻蚀液刻蚀Ti3AlC2中的Al，这种方法可一步同时完成插层和刻蚀。该实验不仅可以获取高产量的MXenes，还证明了只有同时存在质子和氟离子才可以成功制备出层状MXenes。在蚀刻过程中，金属卤化物的存在会将阳离子(例如Li+)和水插入到MXenes中，使其层间距增大，削弱MXenes层之间的相互作用，使蚀刻反应进行得更加彻底。

3.1.3熔融氟化盐法

早在2013年，Naguib等[21]将Ti3AlC2放置在LiF中于900 ℃下加热制备TiCx，而后在550 ℃的氩气下处理熔融混合氟化物中的Ti4AlN3，制备出部分结构损坏的Ti4N3。2016年，Urbankowski等[22]将Ti4AlN3与3种含氟易熔盐(KF、LiF及NaF)在550 ℃、氩气氛围下热处理30 min，制备了二维层状过渡金属氮化物Ti4N3，随后用H2SO4去除杂质，经洗涤、离心得到样品Ti4N3Tx。最后，加入四丁基氢氧化铵(TBAOH)在超声条件下成功制备少层和单层Ti4N3薄片，如图6所示。使用该方法的热处理过程中会产生大量副产物，如K2NaAlF6、K3AlF6、AlF3等，因而需要增加额外工作去除这些含氟杂质，故其制备成本过高。

图6 在550 ℃、氩气下对T4AlN3进行熔盐处理，然后用TBA剥离OH多层MXene来合成T4N3Tx的示意图

3.1.4原位电化学合成法

Li等[23]以一种典型的MAX(V2AlC)为阴极，以21 mol/L的LiTFSI和1 mol/L的Zn(OTf)2混合溶液作为电解液，通过原位电化学法直接制备V2CTx。V2AlC在剥落过程中被限制在一个封闭的电池内，没有任何泄露，因此是一种不涉及任何酸/碱的绿色工艺。所制备的锌离子电池在倍率性能和容量方面均优于氢氟酸刻蚀产生的V2CTx。

3.2 无氟化合物刻蚀法

3.2.1酸/碱刻蚀法

Li等[24]采用NaOH辅助水热法刻蚀Ti3AlC2制备Ti3C2Tx，具体过程如图7所示。经研究发现，在低温(或高温)、低浓度NaOH溶液刻蚀时均不能获得理想样品，只有在高温、高浓度NaOH溶液(270 ℃，27.5 mol/L)时才可将Ti3AlC2中的Al层剥离制备Ti3C2Tx，所得材料纯度约92%，且电化学性能优于氢氟酸刻蚀制备的样品。Wang等[25]通过DFT理论计算提出了一种可控的盐酸辅助水热刻蚀法，通过分阶段高温煅烧制备Mo2Ga2C，然后将其与浓盐酸放入带四氟乙烯内衬的反应釜中，在140 ℃下水热反应5 d以刻蚀Mo2Ga2C制备Mo2CTx。

图7 NaOH刻蚀制备MXenes示意图

3.2.2电化学刻蚀法

有研究证明：Ti2CTx可以在盐酸水溶液电解质中通过电化学刻蚀Ti2AlC来制备。所获得Ti2CTx不以-F封端，而是以-Cl、-O和-OH基团封端。此外，可从MAX通过电化学过渡刻蚀得到碳化物衍生碳(carbide-derived carbon，CDC)[26]。Lukatskaya等[27]在三电极体系中，以Ag/AgCl为参比电极，以Pt为对电极，以MAX为工作电极，以3 mol/L的氯化钠溶液作为电解液，可将Ti3SiC2、TiAlC2和Ti2AlC刻蚀成CDC，理论产率分别为12.3、12.3和8.9%。

3.3 化学气相沉积法

化学气相沉积法也是合成MXenes的主要方法之一。利用该法得到的MXenes具有较大的横向尺寸和较少的晶格缺陷，有利于研究其内在特性。目前，利用该方法合成单层MXenes的研究较少，仍有待进一步研究[11]。

中科院沈阳金属所任文才课题组采用化学气相沉积法(chemical vapor deposition，CVD)制备出具有单层结构的二维MXenes。采用上层铜箔/底层钼箔组成的双金属叠片作为基底，在甲烷气氛、高温条件下，通过催化裂解反应，使甲烷裂解后生成的碳原子与扩散到铜表面的钼原子发生反应，生长出高质量、超薄的二维Mo2C晶体，其厚度仅为1.07 nm。由于其厚度非常薄，且韧性高、不易破损，因此具有很好的力学性质[28]。近日，该团队利用CVD技术在非层状氮化钼(MoN2)中引入元素硅(Si)，用其钝化非分层2D MoN2的表面，从而使得MoSi2N4以厘米级单层膜方式生长(如图8所示)。由该方法制备的材料表现出优异的半导体性能和出色的稳定性[29]。

图8 化学气相沉积法制备Mo2N示意图

4 MXenes在光催化领域的应用

4.1 光催化析氢

在过去的几十年中，能源短缺和全球气候变化已成为影响人类生活的全球性问题。众所周知，由于H2具有清洁的燃烧产物(H2O)和更高的能量密度，因此是替代化石燃料的理想能源[30-31]。随着科技的发展，制备H2的方法越来越多，主要方法包括水电解、煤气化、电催化和光催化等[32-37]。由于H2具有可持续性和几乎没有二次污染的特性，因此光催化析氢这一方法具有光明的应用前景。MXenes和MXenes衍生的光催化剂析氢性能如表1所示。催化放氢反应在提供可持续能源和环境保护方面具有重要意义。

表1 基于MXenes和MXenes衍生的光催化剂析氢性能

有研究人员通过溶剂热法制备了CdS/Ti3C2复合材料。受益于Ti3C2具有接触面积大的优点以及CdS和Ti3C2之间的肖特基结，光催化效果最佳的复合材料(CdS/Ti3C2)比纯相CdS的产氢率增加了7倍。不仅如此，其他金属硫化物也已用于制备基于 MXenes 的复合材料[47]。Chen等[50]发现CdS/MoS2/Ti3C2复合材料的产氢率为9 679 μmol·g-1·h-1，这归因于Ti3C2的导电性和层状结构。在最近的研究中，Cheng等[48]采用溶剂热法将CdLa2S4纳米颗粒生长在Ti3C2纳米片上，复合材料产氢率能达到11 182.4 μmol·g-1·h-1，是纯相CdLa2S4的13.4倍。他们还发现，Ti3C2的引入可促进载流子的有效分离。上述这些研究表明，与单一半导体光催化剂相比，基于MXenes基光催化剂的产氢性能明显增强。Han等[49]采用高温煅烧法制备C-TiO2/g-C3N4，当Ti3C2与g-C3N4的质量比为10%时，制备的催化剂具有最高的产氢效率(1 409 μmol·g-1·h-1)，分别为纯g-C3N4和C-TiO2的8倍和24倍。增强机制源于碳化物衍生碳掺杂TiO2与g-C3N4协同作用，促进了光生载流子的有效分离与迁移。

4.2 光催化固氮

当前，氨(NH3)是多种化学产品的大规模生产原料之一。尤其是在制备肥料的过程中，需要大量的合成氨。大气中的N2是合成氨的来源之一，但由于N≡N三键的键能很大，稳定性高，将其断裂需要较大能量，故传统的合成氨工艺需要满足极其苛刻的条件。另外，传统的合成氨工艺能源消耗较大[51]。因此，在温和条件下利用光催化技术还原N2合成NH3具有重要意义。在光催化固定N2的实验过程中，MXenes是作为助催化剂的角色存在，这类材料也在光催化固氮方面表现出优异的性能。据报道，一种基于AgInS2纳米颗粒和二维MXenes(Ti3C2)纳米片复合而成的AgInS2/MXenes光催化剂具有Z型异质结结构，可在室温条件下用于光催化还原N2。AgInS2/MXenes异质结是由于Ti3C2的独特片状结构形成的，具有出色的界面电荷转移性能，效果最佳的复合材料在可见光下具有38.8 μmol·g-1·h-1的固氮效果[52]。Ti3C2不仅拓宽了光吸收范围，还可作为N2吸附位点和光生电子的俘获位点。同时，由于形成的异质结减少了载流子复合，故提高了光催化N2还原性能(如图9所示)。Ti3C2基复合材料不仅表现出优异的稳定性，还表现出较强的固氮性能。总体而言，基于MXenes及其复合物应用于光催化固氮的应用实例不多，固氮产率有待提高。

图9 半导体催化剂能带位置(a)和光催化固氮过程中电荷分离与迁移示意图(b)

4.3 光催化降解有机污染物

MXenes的光催化降解区域广泛，可以去除多种水体中的有机污染物[53-54]。BiFeO3/Ti3C2光催化剂降解刚果红的效果良好。原始的BiFeO3对刚果红的光催化降解率约为35%。BiFeO3/Ti3C2在可见光的照射下，光催化降解刚果红的去除率高达99%。图10为BiFeO3/Ti3C2光催化剂的光催化降解机理示意图[55]。

图10 可见光照射下BiFeO3/Ti3C2降解刚果红的光催化机理示意图

目前，MXenes光催化降解方面的研究越来越多。近期，已有研究证明一些常见的抗生素、抗炎类药物(例如盐酸四环素、雷尼替丁和磺胺嘧啶等)均可被光催化降解。例如：Cai等[56]制备了具有肖特基结的Ag3PO4/Ti3C2光催化剂，通过研究发现Ti3C2的引入不但增强了Ag3PO4对盐酸四环素的光催化性能(反应速率常数是Ag3PO4的10倍)，而且增加了其稳定性(催化剂循环8次对盐酸四环素的去除率仍能达到68.4%)。Zou等[57]采用水热法制备Ti3C2/MoS2，并将其用于水体中潜在致癌物雷尼替丁的降解，结果显示Ti3C2/MoS2对雷尼替丁的降解率和矿化率分别为88.4%和73.58%，超氧自由基、空穴以及羟基自由基在反应中起到了关键作用。表2总结了MXenes和基于MXenes的二维异质结纳米材料作为光催化剂降解有机污染物的相关信息。除了构建二元异质结外，新型的三元准核壳结构复合材料也被成功制备，例如In2S3/TiO2/Ti3C2Tx复合材料。它们显示出优异的光催化性能，可降解甲基橙染料[58]。

表2 MXenes纳米材料去除有机污染物信息

4.4 光催化还原CO2

随着人类工业化的发展，对化石能源的消耗产生了大量的CO2，造成温室效应，导致海平面升高，极端气候现象频发。为减少CO2的排放量，将CO2转化为可用能源既可以解决环境危机，又可以改善能源短缺现状，已成为当前重要研究课题。表3是MXenes作为助催化剂还原CO2的结果。

表3 MXenes作为助催化剂还原CO2的结果

Low等通过原位煅烧法在高导电性Ti3C2上生长TiO2纳米颗粒，所制备复合材料(TiO2/Ti3C2)的CO2光还原产甲烷率比P25高3.7倍。研究人员用13CO2同位素测试结合原位红外光谱，探讨了TiO2/Ti3C2光催化还原CO2的机理，如图11所示。Ti3C2的存在可以有效抑制TiO2的光生载流子复合。此外，TiO2/Ti3C2复合催化剂的特殊结构使其拥有较大的比表面积，能够为催化反应提供较多的活性位点[74]。Saeed等[67]通过三步溶剂热法制备Cd0.2Zn0.8S@Ti3C2，发现当Ti3C2担载量为5 %时光催化还原CO2的性能最佳，此时CO和CH4的产率分别为3.31和3.51 μmol·g-1·h-1。MXenes在光催化还原CO2领域已经崭露头角，具有缓解大气温室效应的潜在可能。未来可考虑设计更多的MXenes材料，将其应用到大气污染治理中来提高我国的大气环境质量。

图11 TiO2/Ti3C2复合材料光催化还原CO2的增强机理示意图

4.5 光催化杀菌

海洋细菌和生物污染对海洋工业和海洋活动具有不良影响[75]，严重威胁着人类健康和环境安全，因此对海洋生物污染防治的研究十分重要。Ti3C2Tx作为MXenes的一员，具有比表面积大和亲水性好的特点，对革兰氏阴性菌和大肠杆菌具有很好的抗菌活性[76-77]。经研究发现，Ti3C2Tx的抗菌活性主要是“化学”和“物理”效应的协同作用，而在抗菌效果中起着至关重要作用的就是MXenes纳米片间的物理相互作用[78]。由于MXenes纳米片具有较大的比表面积和良好的亲水性能，使其涂膜对有较好的除菌作用，同时可在水中作为抗生物污染膜的原料[79]，这主要是由于MXenes纳米片具有较大的比表面积和良好的亲水性[80]，可提高抗菌剂的溶解性，具有一定的吸附性。在加入金属和金属氧化物纳米颗粒(如银、锌、铜)后，因金属氧化物具有抗菌活性[81]，利用MXenes和金属的协同作用使抗菌效果得到增强。抗菌剂的主要作用机理是金属和金属氧化物纳米粒子产生的活性氧(ROS)直接与细菌的细胞膜结合，导致细菌细胞死亡。MXenes的存在增大了抗菌剂的接触面积。例如，氧化亚铜(Cu2O)作为一种潜在的廉价杀菌剂具有广泛的应用前景。在防污领域的应用方面，Cu2O不仅能有效杀灭细菌，还可在与细菌接触时释放铜离子并产生活性氧[82]。

5 结论

MXenes作为二维材料家族的新成员，因其独特的结构、良好的导电性能、较大的比表面积而在诸多领域具有优势，吸引了众多学者研究其理化性质和应用。本文对MXenes的结构、理化性质、制备方法及其在光催化领域的应用进行了系统介绍。目前，MXenes基光催化剂的研究仍处于早期阶段，未来研究中机遇与挑战并存：

1)钪、铪、铌、钽等多种二维过渡金属碳/氮化物等被预测能够稳定存在，但它们的前驱体尚未产生，因此寻找其他层状碳化物和氮化物前驱体对于扩展MXenes家族具有重要意义。

2)多数MXenes刻蚀过程会使用含氟化合物，而这或多或少会对人体和环境造成一定的危害，因而开发绿色、安全、高效、可扩展的合成方法至关重要。

3)调控MXenes表面终止官能团，开发具有除-O、-OH 或卤素以外末端的 MXenes及在它们之间切换的方法。

4)目前只有为数不多的MXenes材料被应用于光催化领域，仍有许多MXenes材料的应用还需要研究，其性能也需要进一步提升。

MXenes作为新型二维明星材料，在环境与能源领域的应用潜力是巨大的，值得持续关注与研究。