【引言】

全球能源消耗的不斷加劇，催生新型能源生產(chǎn)手段的發(fā)展。為降低能源消耗造成溫室氣體排放，環(huán)境污染和能源危機(jī)等問(wèn)題，探索可以提高能源利用效率和綠色可再生的能源技術(shù)（如超級(jí)電容器、電池、電催化和光催化技術(shù)）成為研究人員探索和關(guān)注的焦點(diǎn)和熱點(diǎn)。新材料的發(fā)展及其結(jié)構(gòu)優(yōu)化成為推動(dòng)這些新型技術(shù)發(fā)展到實(shí)用的關(guān)鍵。二維納米材料對(duì)許多領(lǐng)域的基礎(chǔ)研究和實(shí)際應(yīng)用都具有巨大的影響。石墨烯的突破性發(fā)現(xiàn)和成功應(yīng)用激發(fā)了類石墨烯的原子級(jí)二維材料的快速發(fā)展，包括單元素材料（如硅烯、鍺烯、磷烯、硼烯等），雙元素材料（如氮化硼、氮化碳、過(guò)渡金屬硫化物等）和多元素（如層狀金屬氫氧化物、粘土、金屬有機(jī)骨架、共價(jià)有機(jī)骨架等）。 在后石墨烯時(shí)代，過(guò)渡金屬碳化物或氮化物（MXene）已成為一種非常重要且越來(lái)越受認(rèn)可的二維納米材料。它具有許多優(yōu)越的特性包括元素組成靈活可調(diào)性，金屬特性，載流子遷移各向異性，易調(diào)的能帶隙以及良好的光學(xué)和機(jī)械性能。因此被認(rèn)為是擁有巨大應(yīng)用潛力的新一代儲(chǔ)能和能源轉(zhuǎn)化材料而備受關(guān)注。為充分利用這些屬性和進(jìn)一步挖掘MXene的潛力，近年來(lái)研究學(xué)者通過(guò)插層、層離、功能化、雜化等方式，結(jié)合理論計(jì)算，開發(fā)和發(fā)展了多種新型功能型MXene納米結(jié)構(gòu)如單層，多層，納米粒子，量子點(diǎn)以及功能復(fù)合材料。在應(yīng)用于能源轉(zhuǎn)換和存儲(chǔ)，催化，吸附，膜分離，傳感器，場(chǎng)效應(yīng)晶體管，光熱轉(zhuǎn)換及細(xì)胞成像等領(lǐng)域，展現(xiàn)了卓越的性能并取得了重要的進(jìn)展。

盡管MXene的特性研究和應(yīng)用潛力的開發(fā)尚處于起步階段，對(duì)該類新興二維材料的重要進(jìn)展，迫切需要對(duì)其進(jìn)行詳細(xì)的總結(jié)并深入地討論其在光（電）催化劑及電化學(xué)器件領(lǐng)域研究過(guò)程中決定材料構(gòu)效及應(yīng)用的關(guān)鍵因素，這對(duì)探索合適的工藝以進(jìn)一步提高其光（電）性能而言非常重要。

【成果簡(jiǎn)介】

為了全面概述MXene基電化學(xué)器件及光電催化劑的最新進(jìn)展，新加坡南洋理工大學(xué)王昕教授和Jia wei Chew助理教授（共同通訊）在Advanced Materials發(fā)表了題為“Clay-Inspired MXene-Based Electrochemical Devices and Photo-Electrocatalyst: State-of-the-Art Progresses and Challenges”的綜述文章，王侯博士為論文第一作者。該綜述主要從MXene材料的獨(dú)特價(jià)值和基本性質(zhì)出發(fā)，然后總結(jié)了MXene單體, 功能化的MXene以及復(fù)合材料的合成路線，突出了其在超級(jí)電容器、電池（鋰離子電池，鋰-硫電池及其他堿金屬電池）、電催化和光催化的應(yīng)用。最終提出了MXene在這些領(lǐng)域研究與應(yīng)用的重要挑戰(zhàn)和發(fā)展前景，譬如(1)非酸刻蝕制備高質(zhì)量、原子級(jí)別的MXene合成路線及其調(diào)控；(2)深入理解MXene表面及層間環(huán)境和發(fā)展混合低維度層級(jí)復(fù)合材料；(3) 開展MXene基材料在Li–S, Li–O₂, Li–X (X = Se, Te, I₂及Br₂)電池領(lǐng)域的應(yīng)用研究；(4) MXene基材料在光電催化領(lǐng)域的研究相對(duì)較少，非常值得深入開展MXene在產(chǎn)氫、產(chǎn)氧、氧還原、二氧化碳固定、環(huán)境修復(fù)、氨合成等領(lǐng)域的研究。

【圖文導(dǎo)讀】

圖 1. M₃AX₂, M₃X₂ and M₃X₂T_x 構(gòu)型示意圖及利用氫氟酸刻蝕制備MXene的流程示意圖。

圖 2. MXene的獨(dú)特價(jià)值和性質(zhì)。

圖 3. (a) Ti₃C₂T_x薄片的SEM圖，(b) 折疊型Ti₃C₂T_x薄片圖。(c, d) HF和LiF-HCl刻蝕合成的Ti₃C₂的¹H and ¹⁹F 核磁共振圖。(e) Hf₃C₂T_z合成路線圖。(f)單層Mo_1.33C的HAADF-STEM圖和MAX phase的原子仿真示意圖。(g)原始和卷曲的Ti₃C₂T_x 納米片SEM圖。(h) 不同形貌Ti₂C的合成示意圖。

圖 4. (a) 聚吡咯修飾MXene的TEM 截面圖和合成示意圖。(b) Ti₃C₂T_x/碳納米管復(fù)合材料自組裝合成示意圖。

(a)

(b)

圖 5. (a) 多層Ti₃C₂T_x的吸附位點(diǎn)圖及Ti₃C₂T_x/炭黑-PTFE薄板的電容圖（掃描速率 2 mV s^–1 and 20 mV s^–1，1 M MgCl₂）。(b) 以H₂SO₄和 (NH₄)₂SO₄為電解質(zhì)的Ti₃C₂T_x基電極及可逆的電化學(xué)轉(zhuǎn)換的機(jī)理示意圖。

圖 6. (a) 全Ti₃C₂T_x 微型超級(jí)電容器制備過(guò)程。(b) L-s-Ti₃C₂T_x微型超級(jí)電容器在不同掃描速率條件下的伏安特性曲線。(c) 不同Ti₃C₂T_x 微型超級(jí)電容器的體積能量密度的Ragone 點(diǎn)。(d) 不同Ti₃C₂T_x微型超級(jí)電容器在在不同掃描速率條件下的面電容和體積電容。(e) 在200 mV s^?1掃描速率條件下，2500次循環(huán)后平面和彎曲構(gòu)型時(shí)的電容保留率，其中內(nèi)插圖為微型器件。(f) 三個(gè)串聯(lián)的微型超級(jí)電容器LED供電圖。(g) 冷凍干燥后Ti₃CNT_x的SEM圖。(h, i) 凍干的Ti₃CNT_x的電容值與文獻(xiàn)中電容值的對(duì)比示意圖。(j) Nb₂CT_x/CNT基電池示意圖。

圖 7. (a) CTAB在Ti₃C₂層間的位置。(b) CTAB?Sn(IV)@Ti₃C₂的SEM, TEM和元素分布圖。(c) CTAB?Sn(IV)@Ti₃C₂//AC 鋰離子電容器在2 A g^?1條件下的充電過(guò)程和充電-放電曲線。(e) 使用聚丙烯和MXene/聚丙烯材料作為分離層Li?S電池的構(gòu)型示意圖。(f) 70wt% S/Ti₂C在C/20~1C范圍內(nèi)的電壓變化圖。(g) 羥基修飾的MXene態(tài)與多聚硫的兩步作用示意圖。(h)電池長(zhǎng)期循環(huán)性能示意圖。

圖 8. (a) 氧終端的MXene納米片的理論電容。(b) Ti₂CT_x和Na₂Fe₂(SO₄)₃ vs Na/Na⁺的充電/放電曲線，電流分別為30 mA g^-1和6 mA g^-1，其中插圖為Ti₂CT_x/Na₂Fe₂(SO₄)₃ 電池示意圖。(c) Na⁺嵌入Ti₃C₂T_x的機(jī)理示意圖。(d) g-Ti₃C₂T_x/CNT-SA 在電流密度為50 mA (g-Ti₃C₂T_x/CNT-SA)^-1的循環(huán)性能，其中自組裝的鈉離子電池點(diǎn)亮LED圖。(e) Zr₂CO₂和Hf₂CO₂在不同方向的載流子移動(dòng)以及光生電子-空穴的示意圖。(f) TiO₂/Ti₃C₂界面結(jié)構(gòu)TEM圖和仿真圖，四類鈦原子的局域態(tài)分布圖。(g, h) Ti1?O1?Ti2和Ti3?O2?Ti4的局域態(tài)密度分布圖。

圖 9. (a)不同條件下(111) r-TiO₂/Ti₃C₂在紫外光下催化降解MO的降解速率圖。(b) (111)r-TiO_2-x/Ti₃C₂在可見(jiàn)光條件下降解MB效果圖。(c) 氧終端的Ti₃C₂, Pt, MoS₂, 和WS₂ 產(chǎn)氫的自由能對(duì)比圖。(d)可見(jiàn)光條件下CdS/Ti₃C₂ 光催化產(chǎn)氫機(jī)理示意圖。

圖 10 (a) 不同催化劑的Tafel圖. (b) MoS₂/Ti₃C₂-MXene@C催化劑2000循環(huán)后在50 mV s^?1條件下的極化曲線圖。(c) MoS₂/Ti₃C₂-MXene@C 催化劑在η = 130 mV時(shí)的電流密度隨時(shí)間變化的示意圖。(d) 堆疊Ti₃C₂T_x/CoBDC復(fù)合材料的TEM示意圖。(e) 不同催化劑產(chǎn)氧反應(yīng)的極化曲線及機(jī)理示意圖。(f)不同電極的Tafel 點(diǎn)示意圖.

文章鏈接：Clay-Inspired MXene-Based Electrochemical Devices and Photo-Electrocatalyst: State-of-the-Art Progresses and Challenges (Adv. Mater. 2018, 30, 1704561. DOI: 10.1002/adma.201704561).