【引言】

隨著科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，日益嚴(yán)重的環(huán)境污染問(wèn)題及能源短缺成為我們亟待解決的難題，而催化被認(rèn)為是解決這些難題的關(guān)鍵性技術(shù)之一。傳統(tǒng)的催化劑廣泛存在催化選擇性差、催化劑穩(wěn)定性不好及催化效率低的缺點(diǎn)，尋找高效，穩(wěn)定性好的新型催化劑有非常重要的意義。新型過(guò)渡金屬碳化物(MXene)以其具有本征納米級(jí)層狀結(jié)構(gòu)、巨大的比表面積和良好的親水性，優(yōu)異的導(dǎo)電性，使得其在環(huán)境與能源催化方面有著巨大的潛力。李能教授及其合作團(tuán)隊(duì)在該領(lǐng)域?qū)崿F(xiàn)了一系列的進(jìn)展，首次系統(tǒng)研究了MXene催化還原二氧化碳的分子電子機(jī)制(ACS Nano 2017, 11, 10825-10833)；首次報(bào)道MXene人工固氮(Energy Environ. Sci. 2016, 9, 2545-2549)。

【成果簡(jiǎn)介】

近日，武漢理工大學(xué)李能教授聯(lián)合廈門大學(xué)馬來(lái)西亞分校王偉俊(Wee-Jun Ong)教授應(yīng)邀在國(guó)際著名刊物《細(xì)胞》（Cell）的子刊《Chem》上撰寫題為“Surface and Heterointerface Engineering of Two-Dimensional MXenes and their Nanocomposites: Insights into Electro- and Photo-catalysis” (Doi: 10.1016/j.chempr.2018.08.037 )的綜述論文。在該綜述文章中，作者首先介紹各種MXenes材料的合成方法，并詳盡列舉出了已經(jīng)實(shí)驗(yàn)制備出來(lái)的二十多種MXenes材料，使讀者對(duì)MXenes材料有了一定的認(rèn)識(shí)與了解。緊接著作者從MXenes的電子性質(zhì)入手，分析了MXenes材料的能帶結(jié)構(gòu)，從能帶性質(zhì)方面對(duì)MXenes材料的催化性能進(jìn)行了簡(jiǎn)要的分析。同時(shí)，作者也對(duì)MXenes材料在產(chǎn)氫催化(HER)，析氧催化(OER)，CO₂還原催化(CO₂RR)等方面的前沿研究進(jìn)行了介紹及討論，總結(jié)了不同MXenes材料的催化性能及特點(diǎn)。

【圖文導(dǎo)讀】

圖1. MXene材料研究進(jìn)展的時(shí)間軸

1.MXene合成的不同方法

1.1 含氟試劑刻蝕合成MXene

MXene通常是從它們相應(yīng)的三維(3D)層狀三元碳化物或氮化物(MAX相)選擇性地蝕刻“A”元素產(chǎn)生。在2011年，Naguib等人成功利用HF刻蝕Ti₃AlC₂相的到了MXene材料Ti₃C₂，隨后他們通過(guò)刻蝕不同MAX相得到了多種不同的MXene材料，包括了Ti₃C₂、Ti₂C、Ta₄C₃、TiNbC,以及Ti₃CN。除了使用HF，利用氫氟化物以及氟化物與酸混合溶液作為刻蝕劑也都能有效的刻蝕掉“A”相。相比于HF，利用氫氟化物以及氟化物與酸混合溶液作為刻蝕劑也更為的安全，并且不同的合成方法也導(dǎo)致了MXene材料在性能方面的差異。

圖2. MXene材料結(jié)構(gòu)示意圖

圖3. 通過(guò)HF刻蝕得到的幾種不同的MXene材料

1.2 其他合成方法

使用含氟試劑刻蝕合成MXene不僅對(duì)環(huán)境污染較大而且在實(shí)驗(yàn)方面也存在不安全因素，對(duì)人體危害較大。隨著對(duì)MXene材料研究的深入，各種新的MXene合成方法也接踵而至。其中，利用CVD技術(shù)合成MXene材料可以有效的控制MXene中的缺陷數(shù)量，是一種高效安全的合成方法。

2.MXene在催化方面的研究進(jìn)展

圖4. MXene材料在環(huán)境與能源轉(zhuǎn)換方面的應(yīng)用

2.1 MXene在OER、ORR催化

圖5. MXene材料OER及ORR方面的應(yīng)用

作為燃料電池的關(guān)鍵技術(shù)，對(duì)于OER以及ORR催化的研究有助于燃料電池領(lǐng)域的研究發(fā)展。通過(guò)嘗試將MXene材料與其他半導(dǎo)體材料的結(jié)合，科學(xué)家們致力于尋找一種更為合理與高效的OER、ORR催化劑。但是關(guān)于MXene在OER、ORR催化方面的研究還處于初級(jí)階段，各類研究還并不是十分充分，在這一領(lǐng)域上仍然有十分廣闊的研究前景。

2.2 HER催化研究

圖6. MXene在HER方面的理論研究

在HER的理論研究方面，研究者們致力于探究MXene在HER應(yīng)用上的可能性。研究發(fā)現(xiàn)，通過(guò)在MXene表面吸附過(guò)渡金屬原子使得材料的氫吸附自由能更加接近于零，可以大大提升MXene材料的HER催化性能。在HER實(shí)驗(yàn)研究方面，喬世璋課題組[5]合成了金屬硫化物/Ti₃C₂（金屬硫化物：CdS、ZnS和Zn_xCd_1-xS）納米雜化光催化劑。這種光催化劑的性能十分優(yōu)異，在420 nm波長(zhǎng)下，表觀量子速率達(dá)到了40.1%，可見(jiàn)光下產(chǎn)氫速率達(dá)到了14,342 μmol h^-1 g^-1。

圖7. MXene復(fù)合體系HER研究

在電催化方面，研究表明不同官能團(tuán)對(duì)于MXene電催化性能有著十分顯著的影響，其課題組通過(guò)實(shí)驗(yàn)和理論兩方面進(jìn)行驗(yàn)證發(fā)現(xiàn)表面覆蓋氟官能團(tuán)的MXene材料對(duì)于產(chǎn)氫催化有著積極地影響。在實(shí)驗(yàn)上，Mo₂C是一種最為常見(jiàn)的電催化MXene材料，諸如Mo₂C/2D-NPCs、氮摻雜的Mo₂C[8]納米片都表現(xiàn)出了很好的電催化性能。

2.3 MXene在CO₂RR催化方面的研究

圖8. MXene在 CO₂ RR方面的理論研究

李能教授課題組從新型二維材料MXene 的表界面結(jié)構(gòu)的結(jié)構(gòu)計(jì)算設(shè)計(jì)出發(fā)、深入研究CO₂捕獲與光催化還原的電子輸運(yùn)物理機(jī)制，提出實(shí)現(xiàn)新型的高效光催化還原CO₂材料體系的策略；研究了在酸性條件下，MXene-Tx(T=OH)中的羥基還原成H₂O 的電化學(xué)機(jī)理，從理論上證明了形成干凈的MXene 表面的可行性。同時(shí)，武漢理工大學(xué)余家國(guó)課題組合成了2D/2D超薄Ti₃C₂/Bi₂WO₆異質(zhì)結(jié)納米復(fù)合材料，發(fā)現(xiàn)其在CO₂RR方面催化性能有有明顯的提升。

2.4. MXene在N₂RR及其他環(huán)境催化方面的研究

李能教授及其合作者，運(yùn)用第一性原理計(jì)算，證實(shí)了MXene 能作為良好的催化還原N₂為人工合成氨的載體；同時(shí)在有機(jī)污染物降解方面，解修強(qiáng)等人合成了Ti₃C₂/CdS 2D/2D復(fù)合材料，Ti₃C₂Tx助催化劑不僅用為電子介體增強(qiáng)對(duì)CdS中電子的提取，也抑制了空穴的光腐蝕作用，使得電子的壽命得到了提升。

【總結(jié)】

自從2011年，一個(gè)新的和不斷增長(zhǎng)的二維（2D）過(guò)渡金屬碳化物、氮化物和碳氮化物（MXenes）問(wèn)世，關(guān)于MXene材料的研究一直沒(méi)有停止。近年來(lái)MXene在催化方面的研究取得巨大的進(jìn)展，然而在MXene的催化進(jìn)展方面仍有很多急需解決的問(wèn)題。在這篇綜述中，我們系統(tǒng)地總結(jié)了MXenes的結(jié)構(gòu)、光學(xué)和電子性質(zhì)改善光（電）催化HER，OER，ORR，CO2RR、N2RR和污染物降解等領(lǐng)域的研究進(jìn)展，以及綜述了MXene的物理化學(xué)設(shè)計(jì)策略的進(jìn)展，提出了鮮活有力的觀點(diǎn)和建議，相信對(duì)于同領(lǐng)域的其他研究也會(huì)具有重要的指導(dǎo)意義。

上述工作得到了國(guó)家自然科學(xué)基金、霍英東教育基金會(huì)高等院校青年教師基金、湖北省自然科學(xué)基金、武漢理工大學(xué)中央高校研究基金以及硅酸鹽建筑材料國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室研究基金的資助。《Chem》世界最權(quán)威的學(xué)術(shù)雜志之一《細(xì)胞》（Cell）雜志2016創(chuàng)立的子刊，最新影響因子為14.104，主要發(fā)表化學(xué)領(lǐng)域中的最新研究發(fā)現(xiàn)和科研進(jìn)展。