综述：过渡金属碳化物（MXene）–碳纳米管杂化材料：界面电子相互作用及其在电催化和功能材料中的新兴应用

《Inorganic Chemistry Communications》：Transition metal carbide (MXene)–carbon nanotube hybrid materials: interfacial electronic interactions and emerging applications in electrocatalysis and functional materials

　　

摘要
过渡金属碳化物（MXene）-碳纳米管（CNT）混合材料凭借其独特的结构、电子和理化特性引起了广泛关注。MXene 与 CNT 的协同集成增强了界面电子相互作用、电导率、表面积和机械稳定性，使这些混合系统成为高级功能应用的理想候选材料。本综述重点介绍了 MXene-CNT 混合材料在合成、结构特征和电子相互作用方面的最新进展，特别强调了它们在电催化过程和多功能材料设计中的作用。讨论了界面电荷转移和导电网络形成对催化效率、能量转换和电化学性能的影响。此外，还总结了这些混合材料在析氢反应、氧还原反应、超级电容器、传感器和环境修复中的应用。简要探讨了与材料稳定性、规模化合成和界面工程相关的当前挑战。研究结果表明，MXene-CNT 混合材料代表了开发具有广泛技术潜力的高性能电催化和功能材料的新兴平台。

引言
下一代传感技术的最新进展是由对高灵敏度、快速响应时间、低检测限以及在环境监测、医疗诊断和可穿戴设备等多种应用中可靠性能的需求所驱动的。传统传感材料通常面临固有的局限性，如低电导率、差柔韧性和受限的表面功能，这促使人们 intensively 研究新型纳米材料以克服这些挑战。

两类突出的纳米材料——MXene 和碳纳米管（CNTs）——已成为高性能传感器发展的基石。MXene 是一个通用的二维过渡金属碳化物和氮化物家族，其通式为 ????+1??????????，其中 ?? 代表早期过渡金属，?? 是碳或氮，???? 表示合成过程中获得的功能表面终端（如 OH、O 和 F）[1], [2]。它们的高金属电导率、广阔的比表面积和固有的亲水性的协同作用，为分析物相互作用和快速电荷传输创造了最佳环境。因此，这种独特的理化特性推动了 MXene 在压力、气体和生化传感技术进步的 forefront [3], [4], [5]。

另一方面，碳纳米管（CNTs）是由卷曲的石墨烯片组成的一维（1D）纳米结构，表现出高电导率、卓越的机械强度和高长径比。这些特性使 CNTs 在需要高效电子传输和对表面吸附敏感的电气、电化学和场效应晶体管型传感器中具有吸引力。基于 CNT 的传感器在检测气体、生物分子和化学分析物方面显示出显著能力，得益于其增强的电荷传输和表面相互作用 [6]。

尽管各有优势，独立的 MXene 或 CNT 材料在集成到设备中时往往面临团聚、柔韧性有限和机械不稳定等实际挑战。为了解决这些局限性，最近的研究致力于将 MXene 与 CNT 混合，以创建混合维数架构，从而协同结合 2D 和 1D 材料的优点。这种 MXene-CNT 混合系统协同了 MXene 的大活性表面积和可调表面功能性与 CNT 提供的稳健电气路径和机械增强，从而提高了包括灵敏度、耐用性和响应速度在内的传感器性能指标 [7]。

特别是，MXene-CNT 复合材料已被探索用于可穿戴应变传感器、压力传感、生物传感和环境监测，展示了其在人体运动检测和生理信号监测等实际现实应用中的潜力。例如，结合 Ti?C?T? MXene 与多壁 CNT 的混合传感器在柔性基底中显示出可靠和稳定的性能，能够以显著的灵敏度和循环耐用性监测人体关节运动 [7]。

虽然这些混合纳米结构为下一代传感器提供了有前途的途径，但在规模化制造、界面工程和必要于商业部署的设备集成方面仍存在挑战。因此，人们越来越有兴趣理解不仅基本的材料相互作用，还包括这些混合系统如何转化为稳健、可制造的设备。

本综述侧重于 MXene-CNT 混合材料的界面电子相互作用、结构 - 性能关系和应用驱动设计，重点在于传感、电催化和其他功能材料应用。它不旨在对独立的 MXene、原始 CNT 或 MXene-CNT 混合材料之外的无关材料系统提供全面的综述。

章节片段
MXene：与传感器工程相关的特性
MXene 是一个独特的二维（2D）过渡金属碳化物、氮化物和碳氮化物家族，其通式为 M???X?T?（其中 M = 早期过渡金属，X = C 和/或 N，T? = O、OH、F 等表面终端）。它们于 2011 年首次被实验报告，此后由于其在电子、能源、催化和传感领域具有高度相关的独特结构和理化特性而吸引了密集的研究兴趣。

碳纳米管在传感器设计中的应用
碳纳米管（CNTs）是用于电子和化学传感应用的研究最密集的一维（1D）纳米材料之一，得益于其卓越的电气、机械和表面特性。自发现以来，CNTs 已被广泛用作各种传感器配置中的活性传感元件，包括气体传感器、电化学传感器和生物传感器。它们的独特特征源于排列在圆柱拓扑结构中的 sp2 杂化碳。

工程化 MXene-碳纳米管混合材料
将 MXene 和碳纳米管（CNTs）结合成混合材料已成为下一代传感平台发展中的一个主要焦点，利用了两组分的互补优势。MXene 2D 纳米片提供了高电导率、丰富的表面终端和大表面积，而 CNTs 则贡献了机械稳健性、高长径比导电路径和优异的柔韧性。集成后，这些混合材料形成了复杂的结构。

MXene-CNT 混合传感器的应用
MXene-CNT 混合材料被广泛研究作为活性传感平台，因为它们结合了 MXene 的金属电导率和表面终端与碳纳米管的高长径比和渗流效率。混合化策略主要用于克服 MXene 纳米片的重新堆叠倾向，同时增强电荷传输路径。因此，MXene-CNT 复合材料被应用于广泛的传感领域，包括气体和...

挑战
MXene 的环境稳定性仍然是其在现实传感和电催化应用中实施的关键挑战。原始 Ti3C2TX MXene 在水和溶解氧存在下易发生自发氧化，表面降解导致形成 TiO2（锐钛矿/金红石），造成有害的信号漂移和电催化活性位点的快速丢失。从定量角度来看，氧化动力学...

未来展望
虽然 MXene/CNT 混合纳米结构在下一代传感平台方面显示出巨大潜力，但它们从受控实验室环境过渡到实际现实应用需要解决几个关键的技术障碍。主要限制仍然是 MXene 的长期环境稳定性，特别是它们对氧化的敏感性，这显著影响设备保质期和信号可靠性。虽然表面功能化...

结论
MXene-CNT 混合材料通过将 MXene 和碳纳米管的卓越电气、机械和表面特性统一到一个单一的协同平台中，代表了传感器技术的变革性进步。通过合理的材料设计和结构工程，这些混合材料已在广泛的传感模式中表现出色，包括机械、化学、电化学、热和生物检测。它们的通用性...

CRediT 作者贡献声明
Nadhir N.A. Jafar：写作 - 审阅与编辑，可视化，构思。Shakhnoza Kuldasheva：写作 - 审阅与编辑，写作 - 初稿，监督，构思。Farag M.A. Altalbawy：写作 - 初稿，软件，构思。Gulnora Shakhmurova：写作 - 初稿，监督，构思。Feruza Umirqulova：写作 - 初稿，软件，项目管理，构思。Safa Hussien：写作 - 审阅与编辑，写作 - ...

伦理批准
不适用。

资助
不适用。

利益冲突声明
作者声明，他们没有已知的竞争财务利益或个人关系可能影响本论文报告的工作。

致谢
作者感谢使用 ChatGPT 协助英语语言校对和某些图表的优化。在使用该工具后，作者根据需要审查和编辑了内容，并对稿件的最终版本及其内容的准确性承担全部责任。

Nadhir N. A. Jafar 是一位有机化学教授，专长于杂环化合物的合成。他的研究专注于设计、合成和表征具有潜在制药和工业应用的新型杂环分子。

Nadhir N.A. Jafar|Shakhnoza Kuldasheva|Farag M.A. Altalbawy|Gulnora Shakhmurova|Feruza Umirqulova|Safa Hussien|Aseel Smerat
扎赫拉女子大学，健康与医疗技术学院，伊拉克卡尔巴拉 56001，