Advanced MaterialsVolume 23, Issue 37 p. 4248-4253 Communication Two-Dimensional Nanocrystals Produced by Exfoliation of Ti3AlC2 Michael Naguib, Michael Naguib Department of Materials Science and Engineering, Drexel University, Philadelphia, PA 19104, USA A.J. Drexel Nanotechnology Institute, Drexel University, Philadelphia, PA 19104, USASearch for more papers by this authorMurat Kurtoglu, Murat Kurtoglu Department of Materials Science and Engineering, Drexel University, Philadelphia, PA 19104, USA A.J. Drexel Nanotechnology Institute, Drexel University, Philadelphia, PA 19104, USASearch for more papers by this authorVolker Presser, Volker Presser Department of Materials Science and Engineering, Drexel University, Philadelphia, PA 19104, USA A.J. Drexel Nanotechnology Institute, Drexel University, Philadelphia, PA 19104, USASearch for more papers by this authorJun Lu, Jun Lu Department of Physics, IFM, Linkoping University, Linkoping 58183, SwedenSearch for more papers by this authorJunjie Niu, Junjie Niu Department of Materials Science and Engineering, Drexel University, Philadelphia, PA 19104, USA A.J. Drexel Nanotechnology Institute, Drexel University, Philadelphia, PA 19104, USASearch for more papers by this authorMin Heon, Min Heon Department of Materials Science and Engineering, Drexel University, Philadelphia, PA 19104, USA A.J. Drexel Nanotechnology Institute, Drexel University, Philadelphia, PA 19104, USASearch for more papers by this authorLars Hultman, Lars Hultman Department of Physics, IFM, Linkoping University, Linkoping 58183, SwedenSearch for more papers by this authorYury Gogotsi, Corresponding Author Yury Gogotsi [email protected] Department of Materials Science and Engineering, Drexel University, Philadelphia, PA 19104, USA A.J. Drexel Nanotechnology Institute, Drexel University, Philadelphia, PA 19104, USADepartment of Materials Science and Engineering, Drexel University, Philadelphia, PA 19104, USA.Search for more papers by this authorMichel W. Barsoum, Corresponding Author Michel W. Barsoum [email protected] Department of Materials Science and Engineering, Drexel University, Philadelphia, PA 19104, USADepartment of Materials Science and Engineering, Drexel University, Philadelphia, PA 19104, USA.Search for more papers by this author Michael Naguib, Michael Naguib Department of Materials Science and Engineering, Drexel University, Philadelphia, PA 19104, USA A.J. Drexel Nanotechnology Institute, Drexel University, Philadelphia, PA 19104, USASearch for more papers by this authorMurat Kurtoglu, Murat Kurtoglu Department of Materials Science and Engineering, Drexel University, Philadelphia, PA 19104, USA A.J. Drexel Nanotechnology Institute, Drexel University, Philadelphia, PA 19104, USASearch for more papers by this authorVolker Presser, Volker Presser Department of Materials Science and Engineering, Drexel University, Philadelphia, PA 19104, USA A.J. Drexel Nanotechnology Institute, Drexel University, Philadelphia, PA 19104, USASearch for more papers by this authorJun Lu, Jun Lu Department of Physics, IFM, Linkoping University, Linkoping 58183, SwedenSearch for more papers by this authorJunjie Niu, Junjie Niu Department of Materials Science and Engineering, Drexel University, Philadelphia, PA 19104, USA A.J. Drexel Nanotechnology Institute, Drexel University, Philadelphia, PA 19104, USASearch for more papers by this authorMin Heon, Min Heon Department of Materials Science and Engineering, Drexel University, Philadelphia, PA 19104, USA A.J. Drexel Nanotechnology Institute, Drexel University, Philadelphia, PA 19104, USASearch for more papers by this authorLars Hultman, Lars Hultman Department of Physics, IFM, Linkoping University, Linkoping 58183, SwedenSearch for more papers by this authorYury Gogotsi, Corresponding Author Yury Gogotsi [email protected] Department of Materials Science and Engineering, Drexel University, Philadelphia, PA 19104, USA A.J. Drexel Nanotechnology Institute, Drexel University, Philadelphia, PA 19104, USADepartment of Materials Science and Engineering, Drexel University, Philadelphia, PA 19104, USA.Search for more papers by this authorMichel W. Barsoum, Corresponding Author Michel W. Barsoum [email protected] Department of Materials Science and Engineering, Drexel University, Philadelphia, PA 19104, USADepartment of Materials Science and Engineering, Drexel University, Philadelphia, PA 19104, USA.Search for more papers by this author First published: 22 August 2011 https://doi.org/10.1002/adma.201102306Citations: 6,737Read the full textAboutPDF ToolsRequest permissionExport citationAdd to favoritesTrack citation ShareShare Give accessShare full text accessShare full-text accessPlease review our Terms and Conditions of Use and check box below to share full-text version of article.I have read and accept the Wiley Online Library Terms and Conditions of UseShareable LinkUse the link below to share a full-text version of this article with your friends and colleagues. Learn more.Copy URL Share a linkShare onEmailFacebookTwitterLinkedInRedditWechat Graphical Abstract 2D Ti3C2 nanosheets, multilayer structures, and conical scrolls produced by room temperature exfoliation of Ti3AlC2 in HF are reported. Since Ti3AlC2 is a member of a 60+ group of layered ternary carbides and nitrides, this discovery opens a door to the synthesis of a large number of other 2D crystals. References 1 K. S. Novoselov, A. K. Geim, S. V. Morozov, D. Jiang, Y. Zhang, S. V. Dubonos, I. V. Grigorieva, A. A. Firsov, Science 2004, 306, 666. 2 D. Pacilé, J. C. Meyer, C. O. Girit, A. Zettl, Appl. Phys. Lett. 2008, 92, 133107. 3 P. H. Nadeau, Appl. Clay Sci. 1987, 2, 83. 4 R. Ma, T. Sasaki, Adv. Mater. 2010, 22, 5082. 5 P. Joensen, R. F. Frindt, S. R. Morrison, Mater. Res. Bull 1986, 21, 457. 6 M. D. Stoller, S. Park, Y. Zhu, J. An, R. S. Ruoff, Nano Lett. 2008, 8, 3498. 7 S. Stankovich, D. A. Dikin, G. H. B. Dommett, K. M. Kohlhaas, E. J. Zimney, E. A. Stach, R. D. Piner, S. T. Nguyen, R. S. Ruoff, Nature 2006, 442, 282. 8 J. N. Coleman, M. Lotya, A. O'Neill, S. D. Bergin, P. J. King, U. Khan, K. Young, A. Gaucher, S. De, R. J. Smith, I. V. Shvets, S. K. Arora, G. Stanton, H. Y. Kim, K. Lee, G. T. Kim, G. S. Duesberg, T. Hallam, J. J. Boland, J. J. Wang, J. F. Donegan, J. C. Grunlan, G. Moriarty, A. Shmeliov, R. J. Nicholls, J. M. Perkins, E. M. Grieveson, K. Theuwissen, D. W. McComb, P. D. Nellist, V. Nicolosi, Science 2011, 331, 568. 9 M. W. Barsoum, Prog. Solid State Chem. 2000, 28, 201. 10 M. W. Barsoum, in Ceramics Science and Technology, Vol. 2: Properties, Vol. 2, (Eds: R. R. Riedel, I.-W. Chen), Wiley-VCH Verlag GmbH & Co, Weinheim, Germany 2010. 11 X. H. Wang, Y. C. Zhou, J. Mater. Sci. Technol. 2010, 26, 385. 12 N. V. Tzenov, M. W. Barsoum, J. Am. Ceram. Soc. 2000, 83, 825. 13 T. El-Raghy, M. W. Barsoum, J. Appl. Phys. 1998, 83, 112. 14 M. W. Barsoum, T. El-Raghy, L. Farber, M. Amer, R. Christini, A. Adams, J. Electrochem. Soc. 1999, 146, 3919. 15 T. El-Raghy, M. W. Barsoum, M. Sika, Mater. Sci. Eng. A 2001, 298, 174. 16 M. W. Barsoum, J. Golczewski, H. J. Siefert, F. Aldinger, J. Alloys Compd. 2002, 340, 173. 17 Y. Gogotsi, A. Nikitin, H. Ye, W. Zhou, J. E. Fischer, B. Yi, H. C. Foley, M. W. Barsoum, Nat. Mater. 2003, 2, 591. 18 G. Yushin, E. N. Hoffman, M. W. Barsoum, Y. Gogotsi, C. A. Howell, S. R. Sandeman, G. J. Phillips, A. W. Lloyd, S. V. Mikhalovsky, Biomaterials 2006, 27, 5755. 19 M. W. Barsoum, M. Radovic, in Encyclopedia of Materials: Science and Technology, (Eds: K. H. J. Buschow, W. C. Robert, C. F. Merton, I. Bernard, J. K. Edward, M. Subhash, V. Patrick), Elsevier, Oxford 2004, 1. 20 B. D. Cullity, Elements of X-ray diffraction, Addison-Wesley, Boston, 1978. 21 C. N. R. Rao, K. S. Subrahmanyam, H. S. S. Ramakrishna Matte, B. Abdulhakeem, A. Govindaraj, B. Das, P. Kumar, A. Ghosh, D. J. Late, Sci. Technol. Adv. Mater. 2010, 11, 054502. 22 J. Spanier, S. Gupta, M. Amer, M. W. Barsoum, Phys. Rev. B 2005, 71, 012103. 23 S. Myhra, J. A. A. Crossley, M. W. Barsoum, J. Phys. Chem. Solids 2001, 62, 811. 24 M. Schmidt, S. G. Steinemann, Fresenius J. Anal. Chem. 1991, 341, 412. 25 L. M. Viculis, J. J. Mack, O. M. Mayer, H. T. Hahn, R. B. Kaner, J. Mater. Chem. 2005, 15, 974. 26 L. M. Viculis, J. J. Mack, R. B. Kaner, Science 2003, 299, 1361. 27 M. V. Savoskin, V. N. Mochalin, A. P. Yaroshenko, N. I. Lazareva, T. E. Konstantinova, I. V. Barsukov, I. G. Prokofiev, Carbon 2007, 45, 2797. 28 T. Brezesinski, J. Wang, S. H. Tolbert, B. Dunn, Nat. Mater. 2010, 9, 146. 29 K. Kang, Y. S. Meng, J. Bréger, C. P. Grey, G. Ceder, Science 2006, 311, 977. 30 F. Schwierz, Nat. Nanotechnol. 2010, 5, 487. 31 B. Radisavljevic, A. Radenovic, J. Brivio, V. Giacometti, A. Kis, Nat. Nanotechnol. 2011, 6, 147. 32 S. Gupta, E. N. Hoffman, M. W. Barsoum, J. Alloys Compd. 2006, 426, 168. 33 M. W. Barsoum, T. El-Raghy, M. Ali, Metall. Mater. Trans. A 2000, 31, 1857. Citing Literature Volume23, Issue37October 4, 2011Pages 4248-4253 ReferencesRelatedInformation

Recently a new, large family of two‐dimensional (2D) early transition metal carbides and carbonitrides, called MXenes, was discovered. MXenes are produced by selective etching of the A element from the MAX phases, which are metallically conductive, layered solids connected by strong metallic, ionic, and covalent bonds, such as Ti 2 AlC, Ti 3 AlC 2 , and Ta 4 AlC 3 . MXenes ­combine the metallic conductivity of transition metal carbides with the hydrophilic nature of their hydroxyl or oxygen terminated surfaces. In essence, they behave as “conductive clays”. This article reviews progress—both ­experimental and theoretical—on their synthesis, structure, properties, intercalation, delamination, and potential applications. MXenes are expected to be good candidates for a host of applications. They have already shown promising performance in electrochemical energy storage systems. A detailed outlook for future research on MXenes is also presented.

Herein we report on the synthesis of two-dimensional transition metal carbides and carbonitrides by immersing select MAX phase powders in hydrofluoric acid, HF. The MAX phases represent a large (>60 members) family of ternary, layered, machinable transition metal carbides, nitrides, and carbonitrides. Herein we present evidence for the exfoliation of the following MAX phases: Ti2AlC, Ta4AlC3, (Ti0.5,Nb0.5)2AlC, (V0.5,Cr0.5)3AlC2, and Ti3AlCN by the simple immersion of their powders, at room temperature, in HF of varying concentrations for times varying between 10 and 72 h followed by sonication. The removal of the "A" group layer from the MAX phases results in 2-D layers that we are labeling MXenes to denote the loss of the A element and emphasize their structural similarities with graphene. The sheet resistances of the MXenes were found to be comparable to multilayer graphene. Contact angle measurements with water on pressed MXene surfaces showed hydrophilic behavior.

Toward Titanium Carbide Batteries Many batteries and capacitors make use of lithium intercalation as a means of storing and transporting charge. Lithium is commonly used because it offers the best energy density, but also because there are difficulties in storing larger cations without disrupting the crystal structure of the host. Lukatskaya et al. (p. 1500 ) developed a series of MX compounds, where M represents a transition metal and X is carbon or nitrogen.The compound Ti 3 C 2 forms a two dimensional layered structure, which is capable of accommodating a wide range of cations, including multivalent ones, either spontaneously or electrochemically

MXenes, a new family of 2D materials, combine hydrophilic surfaces with metallic conductivity. Delamination of MXene produces single-layer nanosheets with thickness of about a nanometer and lateral size of the order of micrometers. The high aspect ratio of delaminated MXene renders it promising nanofiller in multifunctional polymer nanocomposites. Herein, Ti3C2T(x) MXene was mixed with either a charged polydiallyldimethylammonium chloride (PDDA) or an electrically neutral polyvinyl alcohol (PVA) to produce Ti3C2T(x)/polymer composites. The as-fabricated composites are flexible and have electrical conductivities as high as 2.2 × 10(4) S/m in the case of the Ti3C2T(x)/PVA composite film and 2.4 × 10(5) S/m for pure Ti3C2T(x) films. The tensile strength of the Ti3C2T(x)/PVA composites was significantly enhanced compared with pure Ti3C2T(x) or PVA films. The intercalation and confinement of the polymer between the MXene flakes not only increased flexibility but also enhanced cationic intercalation, offering an impressive volumetric capacitance of ∼530 F/cm(3) for MXene/PVA-KOH composite film at 2 mV/s. To our knowledge, this study is a first, but crucial, step in exploring the potential of using MXenes in polymer-based multifunctional nanocomposites for a host of applications, such as structural components, energy storage devices, wearable electronics, electrochemical actuators, and radiofrequency shielding, to name a few.

New two-dimensional niobium and vanadium carbides have been synthesized by selective etching, at room temperature, of Al from Nb2AlC and V2AlC, respectively. These new matrials are promising electrode materials for Li-ion batteries, demonstrating good capability to handle high charge–discharge rates. Reversible capacities of 170 and 260 mA·h·g–1 at 1 C, and 110 and 125 mA·h·g–1 at 10 C were obtained for Nb2C and V2C-based electrodes, respectively.