综述：石墨烯和MXenes：二维技术中的性能-可扩展性权衡与应用驱动材料选择

《Progress in Materials Science》：Graphene and MXenes: performance-scalability trade-offs and application-driven materials selection in two-dimensional technologies

　　

石墨烯和MXenes是领先的二维（2D）材料，然而它们在新兴技术中的选择仍受限于缺乏内在性能、可扩展性和成本之间的定量比较。本综述引入了一种实用的材料性能可扩展性评估框架，结合了多准则决策分析方法。在这方面，材料性能缩放、合成可扩展性和技术经济学等所有方面在合并之前均被归一化，以确定最终的材料选择标准。评估的标准包括电导率、热导率、机械强度、电化学电容、合成产率百分比、成熟度、前驱体单位质量价格、比能量利用和抗氧化能力。石墨烯表现出更高的热导率（2000–4000 W m^-1 K^-1）、机械强度（～130 GPa）和氧化稳定性，支持其在性能关键型电子和结构应用中的使用。MXenes提供更高的电化学电容（300–1500 F g^-1）、更高的已报道合成产率（80–99%）、可调表面化学以及更低的实验室规模预估成本（US$10–50 g^-1），有利于能量存储、传感、电磁干扰屏蔽和水相关应用。本综述的新颖性在于将性能级别表现、合成成熟度、可扩展性指标和成本-性能映射组合到一个统一的比较框架中，从而实现石墨烯、MXenes及其杂化体系的理性、应用特定选择。

**1. 引言**
二维（2D）材料因原子级厚度和优异物性受到广泛关注。石墨烯和MXenes作为代表性2D材料，以往研究多集中于单独性质描述，缺乏在统一框架下对性能、可扩展性和成本的定量对比。本综述提出基于多准则决策分析（MCDA）的性能-可扩展性框架，整合内在性能、合成可扩展性和技术经济因素，以指导特定应用的材料选择。

**2. 性能–可扩展性框架**
该框架定义材料选择评分S=Σw_iP_i+Σw_jS_j+Σw_kE_k，其中P_i为归一化性能指标，S_j为可扩展性指标，E_k为经济参数。所有指标通过文献数据归一化至0–1，并基于应用相关的权重加权。通过决策矩阵和成本-性能Ashby图直观呈现材料定位。示例计算显示：石墨烯在电子学中得分0.86，MXenes在能量存储中得分0.81、EMI屏蔽中0.80，支持应用依赖的材料选择。

**3. 合成方法**
**3.1 石墨烯的合成**：主要分为自上而下和自下而上。机械剥离可制备高质量单层，但产率极低；化学气相沉积（CVD）可生长大面积高质量薄膜，但能量消耗大、转移引入缺陷；氧化石墨烯（GO）化学还原法产率约100%且可规模化，但残留缺陷导致电导率下降至10²–10³ S m^-1；电化学剥离法平衡了质量和成本，但产率为60–80%且片径不均。合成方式的选择取决于应用：高性能电子器件需低缺陷CVD石墨烯，而涂料、复合材料等可采用rGO或电化学剥离石墨烯。

**3.2 MXenes的合成**：主要采用选择性刻蚀MAX相前驱体。HF刻蚀是最早的方法，但有毒；原位HF（LiF/HCl）法更安全且利于分层；水热法可制备无氟MXenes；电化学刻蚀和熔盐刻蚀提供绿色替代路线；低温熔盐（LTMS）法使用NH₄HF₂可在5分钟内合成，单批产量超100 g。不同方法影响表面终止基团（-O、-OH、-F）和缺陷密度。

**3.3 多层MXene的分层策略**：包括超声/手摇、有机碱插层（如TBAOH、TMAOH、DMSO）和阳离子插层（Li⁺、Na⁺、K⁺等）。插层扩大层间距，减弱层间作用力，获得单层或少数层薄片；但超声时间和功率影响片径并可能引入缺陷。

**3.4 合成参数比较**：石墨烯CVD法质量高但成本高，GO还原可扩展但缺陷多；MXene刻蚀法产率高（85–99%），但HF安全和环保问题突出。合成路线在产率、成本、能量需求、环境影响之间呈现明显权衡。

**4. 表征技术**
**4.1 结构和形貌分析**：X射线衍射（XRD）通过(002)峰位移判断层间距变化；扫描电子显微镜（SEM）观察MXene的“手风琴”状形貌和石墨烯薄膜形态；透射电子显微镜（TEM）和高分辨TEM可观察原子堆叠和缺陷；原子力显微镜（AFM）测量厚度和层数。

**4.2 化学分析**：X射线光电子能谱（XPS）分析表面官能团和氧化态；拉曼光谱用于评估石墨烯缺陷密度和MXene振动模式；能量色散X射线光谱（EDX）提供元素分布信息。每种技术各有局限，需结合多种手段。

**4.3 表征中的挑战与交叉比较**：石墨烯的基底影响电子测量，SiO₂引起掺杂，hBN可改善。MXene表面终止基团不稳定，TEM电子束可能损伤表面，AFM压痕受层间滑移影响。需要互补的表征策略。

**5. 石墨烯性质**
**5.1 优异的电导率和热导率**：石墨烯载流子迁移率可达2×10⁵ cm² V^-1 s^-1，电导率约10⁴–10⁶ S m^-1，悬浮单层热导率2000–5000 W m^-1 K^-1。但CVD大面积薄膜因缺陷和晶界性能下降。

**5.2 高机械强度和柔韧性**：无缺陷单层石墨烯拉伸强度约130 GPa，杨氏模量约1 TPa，被认为是“最强材料”。但工业级石墨烯因缺陷强度显著降低。

**5.3 化学惰性和有限功能化**：石墨烯化学惰性，耐腐蚀，适合保护涂层；但缺乏表面反应活性，功能化会引入缺陷并降低电导率。

**6. MXene性质**
**6.1 可调表面化学**：表面终止基团（-O、-OH、-F）影响催化活性和电化学性能。氧功能化Ti₃C₂具有高析氢反应活性。

**6.2 优异亲水性和离子插层能力**：MXene在水中和极性溶剂中分散性好，可自发插层多种阳离子，提高电化学性能。

**6.3 竞争性电学和力学性能**：Ti₃C₂T_x电导率最高达24000 S cm^-1；单层Ti₃C₂T_x杨氏模量实验值约330 GPa，低于理论值，与缺陷有关。

**6.4 磁性**：大部分MXene非磁性；特定组成如Ti₂C在应变下可呈现铁磁性。

**6.5 光学性质**：MXene在可见-近红外具有可调等离激元共振，不同组分显示出不同颜色。

**7. 影响MXene稳定性和氧化动力学的因素**
MXene氧化受MAX相质量、刻蚀条件、存储环境等影响。水加剧氧化，低温或无水溶剂可提高稳定性。表面修饰（如氨基酸、杂环胺）可钝化边缘缺陷，显著延长寿命；热处理和复合物策略也有助稳定。

**8. 应用领域**
**8.1 MXene的应用**：MXene/PVA水凝胶传感器具有高灵敏度和自粘性；Ti₃C₂T_x薄膜在EMI屏蔽中展现优异性能（超薄40 μm可达116 dB）；透明电极可用于OLED；超级电容器中比电容300–1500 F g^-1，并用于电池。

**8.2 石墨烯的应用**：柔性RF晶体管截止频率25 GHz；GO荧光猝灭平台用于DNA传感；全石墨烯电池阴极/阳极容量约120 mAh g^-1，循环稳定。

**9. 成本分析**
石墨烯生产成本高，CVD法50×50 mm²单层膜约264美元；MXene实验室前驱体成本约4.20美元/克，总生产成本约11.95美元/克，考虑60%产率约19.92美元/克。工业规模有望降低成本。

**10. 工业基础设施和规模化考虑**
石墨烯R2R CVD已实现30英寸连续薄膜，但资本支出高；MXene已开发50克级反应器，需安全处理HF。比较显示石墨烯适合大面积高性能薄膜，MXene适合溶液加工和涂料。

**11. 回收策略和报废管理**
MXene废液可用NaHCO₃中和并回收冰晶石；沉积物可再利用于应变传感器和EMI屏蔽。CVD铜箔可通过电化学鼓泡或热剥离回收重复使用。石墨烯可通过闪蒸焦耳热从废塑料升级回收。

**12. 比较瓶颈和风险因素**
石墨烯面临高成本、能源密集和转移缺陷；MXene面临氧化不稳定、HF安全和环境废物。风险矩阵显示MXene氧化不稳定性得分最高（25）。

**13. 未来展望**
短期（TRL 2–4）聚焦合成重现性和氧化稳定性；中期（TRL 4–6）发展R2R、可打印油墨和绿色合成；长期（TRL 6–9）依靠AI辅助材料发现和混合系统。石墨烯-MXene杂化通过Ti-O-C键和π-π相互作用结合两者的优点。

**14. 结论**
选择石墨烯或MXene应基于应用需求：性能关键应用选石墨烯，可扩展成本敏感应用选MXene，多功能平台选杂化体系。未来2D材料发展依赖性能-可扩展性-成本的综合权衡。