(1)H and (19)F NMR experiments have identified and quantified the internal surface terminations of Ti3C2Tx MXene. -F and -OH terminations are shown to be intimately mixed and there are found to be significantly fewer -OH terminations than -F and -O, with the proportions highly dependent on the synthesis method.

MXenes comprise a new class of solution‐dispersable, 2D nanomaterials formed from transition metal carbides and nitrides such as Ti 3 C 2 . Here, it is shown that 2D Ti 3 C 2 can be assembled from aqueous solutions into optical quality, nanometer thin films that, at 6500 S cm −1 , surpass the conductivity of other solution‐processed 2D materials, while simultaneously transmitting >97% of visible light per‐nanometer thickness. It is shown that this high conductivity is due to a metal‐like free‐electron density as well as a high degree of coplanar alignment of individual nanosheets achieved through spincasting. Consequently, the spincast films exhibit conductivity over a macroscopic scale that is comparable to the intrinsic conductivity of the constituent 2D sheets. Additionally, optical characterization over the ultraviolet‐to‐near‐infrared range reveals the onset of free‐electron plasma oscillations above 1130 nm. Ti 3 C 2 is therefore a potential building block for plasmonic applications at near‐infrared wavelengths and constitutes the first example of a new class of solution‐processed, carbide‐based 2D optoelectronic materials.

Ti3C2 and other two-dimensional transition metal carbides known as MXenes are currently being explored for many applications involving intercalated ions, from electrochemical energy storage, to contaminant sorption from water, to selected ion sieving. We report here a systematic investigation of ion exchange in Ti3C2 MXene and its hydration/dehydration behavior. We have investigated the effects of the presence of LiCl during the chemical etching of the MAX phase Ti3AlC2 into MXene Ti3C2Tx (T stands for surface termination) and found that the resulting MXene has Li+ cations in the interlayer space. We successfully exchanged the Li+ cations with K+, Na+, Rb+, Mg2+, and Ca2+ (supported by X-ray photoelectron and energy-dispersive spectroscopy) and found that the exchanged material expands on the unit-cell level in response to changes in humidity, with the nature of expansion dependent on the intercalated cation, similar to behavior of clay minerals; stepwise expansions of the basal spacing were observed, with changes consistent with the size of the H2O molecule. Thermogravimetric analysis of the dehydration behavior of these materials shows that the amounts of H2O contained at ambient humidity correlates simply with the hydration enthalpy of the intercalated cation, and that the diffusion of the exiting H2O proceeds with kinetics similar to clays. These results have implications for understanding, controlling, and exploiting structural changes and H2O sorption in MXene films and powders utilized in applications involving ions, such as electrochemical capacitors, sensors, reverse osmosis membranes, or contaminant sorbents.

By etching Nb₄AlC₃ powders in hydrofluoric acid, a phase-pure, highly conductive, Nb₄C₃ MXene – the second with formula M₄X₃ – was produced. The latter's structure was investigated using pair distribution function analysis.

Engineering electrode nanostructures is critical in developing high‐capacity, fast rate‐response, and safe Li‐ion batteries. This study demonstrates the synthesis of orthorhombic Nb 2 O 5 @Nb 4 C 3 T x (or @Nb 2 CT x ) hierarchical composites via a one‐step oxidation —in flowing CO 2 at 850 °C —of 2D Nb 4 C 3 T x (or Nb 2 CT x ) MXene. The composites possess a layered architecture with orthorhombic Nb 2 O 5 nanoparticles decorated uniformly on the surface of the MXene flakes and interconnected by disordered carbon. The composites have a capacity of 208 mAh g −1 at a rate of 50 mA g −1 (0.25 C) in 1–3 V versus Li + /Li, and retain 94% of the specific capacity with 100% Coulombic efficiency after 400 cycles. The good electrochemical performances could be attributed to three synergistic effects: (1) the high conductivity of the interior, unoxidized Nb 4 C 3 T x layers, (2) the fast rate response and high capacity of the external Nb 2 O 5 nanoparticles, and (3) the electron “bridge” effects of the disordered carbon. This oxidation method was successfully extended to Ti 3 C 2 T x and Nb 2 CT x MXenes to prepare corresponding composites with similar hierarchical structures. Since this is an early report on producing this structure, there is much room to push the boundaries further and achieve better electrochemical performance.

Herein, two new two‐dimensional Nb 4 C 3 ‐based solid solutions (MXenes), (Nb 0.8 ,Ti 0.2 ) 4 C 3 T x and (Nb 0.8 ,Zr 0.2 ) 4 C 3 T x (where T is a surface termination) were synthesized—as confirmed by X‐ray diffraction—from their corresponding MAX phase precursors (Nb 0.8 ,Ti 0.2 ) 4 AlC 3 and (Nb 0.8 ,Zr 0.2 ) 4 AlC 3 . This is the first report on a Zr‐containing MXene. Intercalation of Li ions into these two compositions, and Nb 4 C 3 T x was studied to determine the potential of those materials for energy storage applications. Lithiation and delithiation peaks at 2.26 and 2.35 V, respectively, appeared in the case of Nb 4 C 3 T x , but were not present in Nb 2 CT x . After 20 cycles at a rate of C/4, the specific capacities of (Nb 0.8 ,Ti 0.2 ) 4 C 3 T x and (Nb 0.8 ,Zr 0.2 ) 4 C 3 T x were 158 and 132 mAh/g, respectively, both slightly lower than the capacity of Nb 4 C 3 T x .

Ti3C2Tx MXene intercalated with Li+ ions was produced and ion-exchanged with a series of trimethylalkylammonium (AA) cations of increasing alkyl chain length. A discontinuous expansion in the MXene layer spacing was observed, attributed to complete packing of the interlayer space at a critical chain length. The latter was used to estimate the number of cations per Ti3C2 formula unit, which was found to be in good agreement with a similar quantification obtained from X-ray photoelectron spectroscopy, energy-dispersive spectroscopy, and elemental analysis. The system was also modeled using density functional theory and molecular dynamics, arriving at cation concentrations in the same range. The intercalated AA cations led to tunable increases in resistivity of the normally highly electrically conductive MXene and were investigated as interlayer pillars in electrochemical capacitors.