In recent years, a new large family of two dimensional transition metal carbides, carbonitrides, and nitrides, so-called MXenes, have grabbed considerable attention, owing to their many fascinating physical and chemical properties that are closely related to the rich diversity of their elemental compositions and surface terminations. In particular, it is easy for MXenes to form composites with other materials such as polymers, oxides, and carbon nanotubes, which further provides an effective way to tune the properties of MXenes for various applications. Not only have MXenes and MXene-based composites come into prominence as electrode materials in the energy storage field as is widely known, but they have also shown great potential in environment-related applications including electro/photocatalytic water splitting, photocatalytic reduction of carbon dioxide, water purification and sensors, thanks to their high conductivity, reducibility and biocompatibility. In this review, we summarize the synthesis and properties of MXenes and MXene-based composites and highlight their recent advances in environment-related applications. Challenges and perspectives for future research are also outlined.

Identifying suitable photocatalysts for photocatalytic water splitting to produce hydrogen fuelviasunlight is an arduous task by the traditional trial-and-error method.

Hydrogen fuel produced from water splitting using solar energy and a catalyst is a clean and renewable future energy source. Great efforts in searching for photocatalysts that are highly efficient, inexpensive, and capable of harvesting sunlight have been made for the last decade, which, however, have not yet been achieved in a single material system so far. Here, we predict that MoS2/AlN(GaN) van der Waals (vdW) heterostructures are sufficiently efficient photocatalysts for water splitting under visible-light irradiation based on ab initio calculations. Contrary to other investigated photocatalysts, MoS2/AlN(GaN) vdW heterostructures can separately produce hydrogen and oxygen at the opposite surfaces, where the photoexcited electrons transfer from AlN(GaN) to MoS2 during the photocatalysis process. Meanwhile, these vdW heterostructures exhibit significantly improved photocatalytic properties under visible-light irradiation by the calculated optical absorption spectra. Our findings pave a new way to facilitate the design of photocatalysts for water splitting.

Graphene-like two-dimensional materials have garnered tremendous interest as emerging device materials for nanoelectronics due to their remarkable properties. However, their applications in spintronics have been limited by the lack of intrinsic magnetism. Here, using hybrid density functional theory, we predict ferromagnetic behavior in a graphene-like two-dimensional Cr2C crystal that belongs to the MXenes family. The ferromagnetism, arising from the itinerant Cr d electrons, introduces intrinsic half-metallicity in Cr2C MXene, with the half-metallic gap as large as 2.85 eV. We also demonstrate a ferromagnetic–antiferromagnetic transition accompanied by a metal to insulator transition in Cr2C, caused by surface functionalization with F, OH, H, or Cl groups. Moreover, the energy gap of the antiferromagnetic insulating state is controllable by changing the type of functional groups. We further point out that the localization of Cr d electrons induced by the surface functionalization is responsible for the ferromagnetic–antiferromagnetic and metal to insulator transitions. Our results highlight a new promising material with tunable magnetic and electronic properties toward nanoscale spintronics and electronics applications.

Intrinsically ferromagnetic 2D semiconductors are essential and highly sought for nanoscale spintronics, but they can only be obtained from ferromagnetic bulk crystals, while the possibility to create 2D intrinsic ferromagnets from bulk antiferromagnets remains unknown. Herein on the basis of ab initio calculations, we demonstrate this feasibility with the discovery of intrinsic ferromagnetism in an emerging class of single-layer 2D semiconductors CrOX (CrOCl and CrOBr monolayers), which show robust ferromagnetic ordering, large spin polarization, and high Curie temperature. These 2D crystals promise great dynamical and thermal stabilities as well as easy experimental fabrication from their bulk antiferromagnets. The Curie temperature of 2D CrOCl is 160 K, which exceeds the record (155 K) of the most-studied dilute magnetic GaMnAs materials, and could be further enhanced by appropriate strains. Our study offers an alternative promising way to create 2D intrinsic ferromagnets from their antiferromagnetic bulk counterparts and also renders 2D CrOX monolayers great platform for future spintronics.

A new family of transition metal borides MBenes are reported with remarkable applications in Li ion batteries and electrocatalysis.

Abstract Searching for highly efficient, stable, and cost‐effective electrocatalysts for water splitting and oxygen reduction reaction (ORR) is critical for renewable energies, yet it remains a great challenge. Here, by performing an unbiased structural search and first‐principles calculations, the electrocatalytic performance of the emerging 2D transitional‐metal carbides, MC 2 (M represents the transition metal of Ti, V, Nb, Ta, and Mo, C is carbon), is systematically investigated. Owing to their super stability and outstanding electronic conductivity, fast charge transfer kinetics is allowed during catalysis. Specifically, NbC 2 , TaC 2 , and MoC 2 possess excellent hydrogen evolution reaction (HER) performance under the reaction by the Volmer‐Heyrovsky mechanism. Moreover, taking advantage of the dual‐active‐site catalytic mechanism for oxygen evolution reaction (OER) and ORR over traditional single‐active‐site mechanism, TaC 2 presents promising bifunctional electrocatalytic activity with a low overpotential of 0.06 and 0.37 V for HER and ORR, respectively. Meanwhile, the low overpotential endows MoC 2 remarkable multifunctional electrocatalytic performance in overall water splitting (0.001 V for HER, 0.45 V for OER) and ORR (0.47 V). These intriguing results demonstrate the robust applicability of MC 2 monolayers as effective electrocatalysts.

Phase change materials based on chalcogenide alloys play an important role in optical and electrical memory devices. Both applications rely on the reversible phase transition of these alloys between amorphous and metastable cubic states. However, their atomic arrangements are not yet clear, which results in the unknown phase change mechanism of the utilization. Here using ab initio calculations we have determined the atomic arrangements. The results show that the metastable structure consists of special repeated units possessing rocksalt symmetry, whereas the so-called vacancy positions are highly ordered and layered and just result from the cubic symmetry. Finally, the fast and reversible phase change comes from the intrinsic similarity in the structures of the amorphous and metastable states.

Two-dimensional (2D) transition metal carbides/nitrides Mn+1Xn labeled as MXenes are attracting increasing interest due to promising applications as Li-ion battery anodes and hybrid electro-chemical capacitors. To realize MXenes devices in future flexible practical applications, it is necessary to have a full understanding of the mechanical properties of MXenes under deformation. In this study, we extensively investigated the stress-strain curves and the deformation mechanisms in response to tensile stress by first principles calculations using 2D Tin+1Cn (n = 1, 2 and/or 3) as examples. Our results show that 2D Ti2C can sustain large strains of 9.5%, 18% and 17% under tensions of biaxial and uniaxial along x and y, respectively, which respectively increase to 20%, 28% and 26.5% for 2D Ti2CO2 due to surface functionalizing oxygen, which is much better than graphene (15% biaxial). The failure of 2D Tin+1Cn MXene is due to the significant collapse of the surface atomic layer; however, surface functionalization could slow down this collapse, resulting in the improvement of mechanical flexibility. We have also discussed the critical strains and Young's modulus of 2D Tin+1Cn and Tin+1CnO2. Our results provide an insight into the microscopic deformation mechanism of MXenes and hence benefit their applications in flexible electronic devices.

Atomically thin two-dimensional (2D) materials have received considerable research interest due to their extraordinary properties and promising applications. Here we predict the monolayered indium triphosphide (InP3) as a new semiconducting 2D material with a range of favorable functional properties by means of ab initio calculations. The 2D InP3 crystal shows high stability and promise of experimental synthesis. It possesses an indirect band gap of 1.14 eV and a high electron mobility of 1919 cm2 V-1 s-1, which can be strongly manipulated with applied strain. Remarkably, the InP3 monolayer suggests tunable magnetism and half-metallicity under hole doping or defect engineering, which is attributed to the novel Mexican-hat-like bands and van Hove singularities in its electronic structure. A semiconductor-metal transition is also revealed by doping 2D InP3 with electrons. Furthermore, monolayered InP3 exhibits extraordinary optical absorption with significant excitonic effects in the entire range of the visible light spectrum. All these desired properties render 2D InP3 a promising candidate for future applications in a wide variety of technologies, in particular for electronic, spintronic, and photovoltaic devices.