MXene（二维过渡金属碳化物/氮化物）自2011年被发现以来，已迅速发展成为材料科学领域最受关注的二维材料家族之一。其通式为Mn+1XnTx，其中M为过渡金属，X为碳或氮，Tx为表面终端基团（如-O、-OH、-F、-Cl等）。MXene兼具金属导电性与层状结构带来的大比表面积，在储能、电磁屏蔽、催化、超导及电化学能源存储等领域展现出广阔的应用前景。然而，MXene 的合成长期依赖自上而下的刻蚀路线—即从层状三元碳化物（MAX相）中选择性去除A层元素。这种方法不仅受限于前驱体的可获得性，还涉及氢氟酸等危险试剂，制备流程复杂且耗时。更重要的是，MXene的化学空间远未被充分探索。近年来，尽管研究者已尝试将合成策略扩展到Zr、Hf等新体系，以及引入S、P等非常规X位元素，但一个根本性问题始终悬而未决：在已有的晶体材料数据库中，究竟还隐藏着多少具有MXene结构特征、却尚未被识别为MXene的化合物？历史上不乏先例，如Ti3CNTz、MoScAlC2等材料早在数十年前就已被报道，却直到近年才被重新认识为MXene。这意味着大量“藏在明处”的MXene候选材料可能从未被系统筛查过。
二、【创新成果】
基于此，瑞典林雪平大学Ali Saffar Shamshirgar博士与Johanna Rosen教授联合，在Science上发表了题为“Data-driven discovery and rapid, direct synthesis of MXenes”的论文，提出利用数据驱动方法，从现有材料数据库中系统性地识别被遗漏的多层MXene（ml-MXene）候选物，并发展一种快速、可扩展的直接合成路线。具体地，研究人员同时检索了MP和OQMD两大晶体结构数据库，从中提取所有具有M2XT2型结构的化合物，最终获得1050个初始结构条目。随后基于开发的一套基于晶体信息文件（CIF）的机器学习分类器，用于自动判断一个结构是否为ml-MXene，并将其分为三组：（1）最初被报道为MXene的化合物；（2）后来被重新发现并重新归类为MXene的历史化合物；（3）之前未被识别的类MXene材料。利用这种方法，研究人员识别出56种MXene相关材料，其中包括33种未被识别的MXene。最后，研究人员开发了一种自蔓延高温合成（SHS）策略，能够在几分钟内形成目标相，且无需持续外部加热，并展示了三种已知的ml-MXene和四种未被识别的ml-MXene以及另外11种ml-MXene的合成。
三、【图文解析】
图1 ml-MXene组成的数据驱动发现框架 ©2026 AAAS
图2 SHS法直接合成MXenes及其表征 ©2026 AAAS
图3 稀土M2CT2 MKenes的实验制备与表征 ©2026 AAAS
图4 多层M2C2 MXenes 的理论稳定性、磁性及电子结构 ©2026 AAAS
四、【科学启迪】
综上，本研究强调了通过在M位引入稀土元素，将MXene的化学空间拓展至过渡金属以外的重要性。这引入了局域化的f电子态、较大的磁矩以及多样的氧化化学特性，从而实现了传统过渡金属MXene所无法获得的电子、磁性和光学功能。未被识别的MXene组成进一步揭示了一种出人意料丰富的多层化学体系，其中包括若干以S或P作为X元素的化合物，而此类化学体系在MXene领域中迄今鲜有探索。以往尝试制备基于S或P的MXene通常导致这些元素仅以表面端基形式存在，而非作为MXene核心的组成成分，且仅有零星证据表明可能存 C的取代。因此，未被识别的MXene清单为利用稀土元素作为稳定M组分重新探索这些化学体系提供了实验依据的启发。总体而言，本研究将MXene家族扩展了44个成员：其中33个通过数据驱动筛选鉴定，其中有4个在此文中重新合成，另有11个在本研究中合成，从而为MXene材料的更广泛设计规则发展作出贡献。最后通过自蔓延高温合成（SHS）方法成功直接合成了总计18种ml-MXenes，为MXene的制备提供了一条快速且可扩展的途径。
原文详情：Data-driven discovery and rapid, direct synthesis of MXenes (Science 2026, 394, DOI: 10.1126/science.aeh5957)
本文由赛恩斯供稿。
