過渡金屬碳化物、氮化物和碳氮化物（通常稱為MXenes）是自2011年YuryGogotsi等發(fā)現(xiàn)碳化鈦（Ti3C2Tx）以來的一類新型二維材料。這些材料的一般公式為Mn+1XnTx（n=1、2或3），其中M是早期過渡金屬，X是碳和/或氮，T是從合成過程中繼承的表面基團，通常為-OH、-O和-F。

MXenes通常由三元碳化物或氮化物的MAX相選擇性地刻蝕A原子層制得，其中A主要是IIIA族和IVA族元素。迄今為止報道的MAX相有70多種，目前20多種基于Ti、V、Nb、Mo、Ta和Zr等的MXenes被成功合成。這種化學和結(jié)構(gòu)上的多功能性使得MXenes在高導電性、大表面積等方面具有與石墨烯等其它二維納米材料的競爭優(yōu)勢，在多種應用領(lǐng)域特別是在電池、超級電容器和催化等能量轉(zhuǎn)換和儲能領(lǐng)域有著廣闊的應用前景。

最近，MXenes被證明具有獨特的光熱轉(zhuǎn)換特性。光熱轉(zhuǎn)換是一種原始而直接的獲取和利用太陽能的手段，其中入射光能被光熱材料吸收后轉(zhuǎn)化為熱能以供進一步利用。引入的熱量可以提高體系溫度，這通常會增加化學反應的熵，加速電子轉(zhuǎn)移的熱力學和動力學，從而提高宏觀反應速率。

此外，太陽能是地球上取之不盡、用之不竭、低成本、清潔的能源，開發(fā)太陽能利用可以緩解傳統(tǒng)化石燃料過度使用帶來的能源危機威脅，有利于形成綠色可持續(xù)的能源體系。光熱轉(zhuǎn)換特性使得MXenes將太陽光譜響應擴展到近紅外（NIR）區(qū)域，能夠有效吸收和利用太陽光，從而激發(fā)了其在溫度起主導作用的領(lǐng)域中的應用。

例如，MXenes可用于光熱治療，在光照下腫瘤部位的溫度升高，能夠精確地消除癌細胞而不會影響周圍健康組織。已有大量的研究報道MXenes的光熱轉(zhuǎn)換效應，然而對于它們?nèi)绾斡米鞴鉄釕玫墓馕談?，人們的理解是有限的?/p>

最近，Adv.Funct.Mater.在線刊登了華南師范大學環(huán)境學院李來勝教授和王靜副研究員等撰寫的題為“Insights into the Photo thermal Conversion of 2D MXene Nanomaterials:Synthesis,Mechanism,and Applications”的綜述文章，胥丁心和李志東為共同第一作者。

在這篇綜述中，作者綜述了近年來MXenes光熱轉(zhuǎn)換的研究進展，對其光熱轉(zhuǎn)化機理和應用作了較全面的總結(jié)。首先，作者簡要總結(jié)了MXenes及其納米復合材料的合成策略，隨后對其光熱轉(zhuǎn)化機理進行了討論，最后對光熱應用的最新進展進行了總結(jié)。

圖一、2D MXenes光熱轉(zhuǎn)換原理圖

1、MXenes及其納米復合材料的合成

MXenes是通過從對應的MAX相選擇性蝕刻A原子獲得的二維層狀材料。由于M-A鍵具有較高的化學活性，因此比M-X鍵更容易斷裂，從而使刻蝕過程成為可能。蝕刻的MXenes呈現(xiàn)松散堆積的手風琴狀結(jié)構(gòu)，主要通過氫鍵或范德華力連接，通常稱為多層MXene（m-MXene）。

經(jīng)剝離后，m-MXene層間相互作用被削弱，形成具有單層或幾層類似于石墨烯結(jié)構(gòu)的二維超薄納米片，稱為分層MXene（d-MXene）。此外，MXene也可以通過表面改性或與其他材料雜化來進一步實現(xiàn)功能化，以獲得物化性質(zhì)更優(yōu)異的納米復合材料。

1.1、刻蝕和分層

圖二：（a）MAX相剝離制備二維MXene的示意圖；（b）m-Ti3AlC2-MXene的SEM圖；（c）d-Ti3AlC2-MXene的TEM圖；（d）Pt/e-TAC催化劑的結(jié)構(gòu)示意圖；（e）DMSO剝離后Ti2NTx-MXene的低倍和高倍TEM圖像；（g-i）從Ti3AlC2制備Ti3C2Tx的兩種方法及其自的SEM圖像。

1.2、表面修飾

圖三：（a）M3X2Tx結(jié)構(gòu)的側(cè)視圖和頂視圖示意圖，顯示各種M原子及其表面官能團；（c）Ti3C2Tx-MXenes退火后的表面改性；（d）Ti3C2Tx-MXenes退火前后的O1s光譜；（e）Ti3C2納米復合材料制備示意圖；（f）刻蝕過程中添加或不添加Al3+的Ti3C2納米片的紫外-可見吸收光譜。

1.3、納米復合材料的雜化

圖四：（a）左：Bi2WO6和Ti3C2的能級結(jié)構(gòu)圖，右圖：雜化材料界面的光誘導電子轉(zhuǎn)移過程；（b）二維/二維Ti3C2/Bi2WO6納米片的TEM圖；（c）多孔rGO/Ti3C2Tx薄膜制備工藝示意圖；（d）rGO/Ti3C2Tx薄膜橫截面SEM圖；（e）Ti3C2Tx/多壁碳納米管紙的截面掃描電鏡圖像；（f）PEG/Ti3C2Tx復合材料的合成路線圖；（g，h）PEG（85%）/Ti3C2Tx復合材料的TEM縱斷面圖像。

2.光電轉(zhuǎn)化機制

由于光熱材料對電磁輻射（太陽光）的響應不同，因而光熱轉(zhuǎn)換機制也有所不同，，主要與它們固有的電子或帶隙結(jié)構(gòu)有關(guān)，一般可分為：i）局域表面等離子體共振（LSPR）效應，ii）電子空穴的產(chǎn)生和弛豫，iii）共軛或超共軛效應。

光熱MXenes的研究尚處于起步階段，其機理尚不完全清楚。一些開創(chuàng)性研究表明，MXenes的光熱轉(zhuǎn)換機理主要歸因于其優(yōu)異的電磁干擾屏蔽效應和LSPR效應，能夠有效吸收太陽能并將其轉(zhuǎn)換為熱能存儲并利用。

圖五：（a）電磁干擾屏蔽效應機理圖；（b）PEG/Ti3C2Tx復合材料光熱能量轉(zhuǎn)換與存儲機理示意圖；（c）不同濃度（30、15、8、4和2ppm）的Ti3C2納米片在水中的吸收光譜；（d）純水和不同濃度（72、36、18和9ppm）Ti3C2納米片分散水懸浮液的光熱升溫曲線；（e）Ti3C2納米片分散懸浮液（36μg/mL，100μL）的循環(huán)加熱曲線。

3、MXenes的光熱應用

3.1、太陽能海水淡化

圖六：（a）光熱材料的界面太陽能-蒸汽轉(zhuǎn)換；（b）MXene/纖維素膜照片（直徑15厘米，厚度0.2毫米）。插入圖是一朵該膜折疊成的花，顯示出良好的柔韌性；（c）一個太陽強度光照下的水、rGO/纖維素和MXene/纖維素膜的紅外熱像圖；（d）1-4個太陽強度條件下產(chǎn)生蒸汽的照片；（e）水、rGO/纖維素和MXene/纖維素膜在1個太陽強度光照下的水分蒸發(fā)率和太陽蒸汽效率；（f）嵌入EPA泡沫作為隔熱層的3DMAs示意圖；（g）水和3DMA表面在0、5、10和30min太陽光照下的紅外圖像；（h）借助3DMA-EPA泡沫，水在1和5太陽強度光照射下的質(zhì)量變化。

圖七：（a）疏水性Ti3C2薄膜太陽能海水淡化裝置示意圖；（b）親水和疏水Ti3C2膜在24小時太陽能海水淡化前后的光學照片；（c）利用親水和疏水膜的太陽能脫鹽工藝示意圖；（d）海水淡化前后四種離子的鹽度；（e）有機物和重金屬離子抑制性能；（f）JanusVA-MXA耐鹽氣凝膠示意圖；（g）不同VA-MXA太陽吸收體下水體含鹽量隨輻照時間的變化；（h，i）輻照12h后，（h）JanusVA-MXA和（i）VA-MXA的掃描電鏡圖像，其各自的照片顯示在插圖中。

3.2、可穿戴設備

圖八：（a）AgNP@MXene-PU復合涂層中AgNP@MXene雜化物在光照下的光熱效應示意圖；（b）純PU和0.16wt%AgNP@MXene-PU復合涂層（厚度約100μm）愈合過程的光學顯微照片和三維形貌圖；（c）0.16wt%AgNP@MXene-PU復合涂層在愈合過程中的應力應變曲線；（d）志愿者手上附著的≈100μm厚0.08wt%AgNP@MXene-PU復合涂層的照片，以及太陽光照射1分鐘前后手部的紅外熱成像圖。

3.3、太陽能光熱電極

圖九：（a，b）在1個太陽強度光照下，CF/MXene電極的（a）圖片和紅外圖像以及（b）CF和溫度-深度分布曲線；（c）帶有三個電極、光照窗口和水浴冷卻系統(tǒng)的裝置示意圖；（d）太陽光加熱的CF/MXene生物電極的示意圖；（e）CF、CF/MXene和水的光熱溫度演化；（f）生物電極在不同的低溫環(huán)境（水體溫度為10、15和20°C）和2、1.5和1個太陽強度照射下的電流生成曲線。

3.4、生物醫(yī)學應用

圖十：（a）二維可生物降解PVP改性的Nb2C在NIR-I和NIR-II生物窗口中的去除體內(nèi)光熱腫瘤示意圖；（b）4T1腫瘤小鼠不同方案治療后16天的腫瘤區(qū)域照片；（c）活體PA成像示意圖；（d）不同時間間隔（0、0.5、1、2、4、12、24和48小時）腫瘤部位的光聲成像（PA）圖；（e）在pH值分別為7.4、6.0和4.5時DOX@Ti3C2納米片中DOX的釋放曲線；（f）負載DOX的Ti3C2@mMSNs-RGD的pH和光熱觸發(fā)的藥物釋放示意圖。

3.5、智能水凝膠

圖十一：（a）Ti2C3Tx-MXene/PNIPAM復合水凝膠的制備及遠程光控制；（b）冷凍干燥的MXene/PNIPAM水凝膠的SEM圖，照片如插圖所示；（c）純PNIPAM水凝膠和不同Ti2C3Tx負載量的MXene/PNIPAM水凝膠的溶脹率與溫度的關(guān)系；（d）MXene/PNIPAM水凝膠（1mg/mLTi2C3Tx）的溫度變化及多次熱-冷循環(huán)；（e）制備的1,2）MXene/PNIPAM和3,4）純PNIPAM水凝膠在有/無激光照射（808nm）下的液體微閥門。

3.6、光致驅(qū)動器

圖十二：（a）PDMS@m/d-F涂層近紅外熱成像圖；（b~d）（b）線性、（c）旋轉(zhuǎn)和（d）涂有PDMS@m/d-F濾紙的順時針旋轉(zhuǎn)光驅(qū)動運動，及其各自軌跡。