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ACS Energy Letters：MXene基异质结构的能量转换与存储

 研之成理 2021-12-13 08:00

    

论文DOI：10.1021/acsenergylett.1c02132                  

 

 

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近日，济南大学周伟家教授和山东大学刘宏教授等对MXene基异质结构在能量转换与存储的研究现状进行了聚焦评述，对未来研究机遇与挑战进行了展望，并以题为 “Potential of MXene-Based Heterostructures for Energy Conversion and Storage” 发表在 ACS Energy Letters 上。

 

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背景介绍

自Ti₃C₂T_x的开创性发现以来，二维过渡金属碳化物、氮化物和碳氮化物(MXenes)作为一系列独特的二维材料迅速发展起来，并成为当前研究乃至未来二维材料领域的热点。MXenes由于其类金属性质和良好的电子结构而成为很有前途的能源存储和转换材料。其优越的导电、导热性能促进了催化过程中的电子、电荷传输，丰富且可控的表面官能团加速了催化过程中中间体的吸附和活化。此外，其具有高比容量、离子/高效电子传输和高电化学稳定性。尽管MXenes具有相当好的物理化学性能，但到目前为止，与其他二维材料相比，其在能量转换和能源存储领域的机制探究仍然有待被探索。因此，基于MXene异质结构的混合多维材料设计，原子级位点调控，以及潜在的原位方法来研究电化学机制在能量转换和存储领域具有的巨大潜力。

 

 

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研究出发点

近日，济南大学周伟家教授与山东大学刘宏教授合作，在国际知名期刊ACS Energy Letters上发表题为“Potential of MXene-Based Heterostructures for Energy Conversion and Storage”的聚焦评述文章, 第一作者为逄金波 副研究员、常彬 博士。该文章分析了MXene异质结材料在能源领域的应用，汇总了近期该方向的最新进展，同时为未来合理设计优化MXene结构提供了一系列的指导性的原则。文章重点讨论了混合多维纳米材料的耦合和单原子的引入在氢、氨和多碳化合物的生产以及能量存储方面的应用（图1）。此外，高端原位表征技术可作为有效揭示MXenes材料化学活性的潜在手段。探究MXene材料的优化合成和能源应用机理也是未来该领域发展的机遇所在。

 

▲图1 MXene基异质结构在单原子活性位点、改性表面化学、原位机理表征等的进展驱动的能量转换与存储研究  

 

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本文要点  

 

 

要点一：混合多维MXene异质结材料的设计应用

由于电子结构可控、表面应变增强和界面活性位点可调等优势，异质结构在提高催化活性和提升能储性能方面发挥着关键作用。精确构造强耦合界面是提升高效电化学性能的最实用的策略之一。MXenes优异的物理化学和机械性能使其在界面工程中具有重要的潜力。基于MXenes的异质结构不仅克服了各组分固有的局限性，而且通过适当的组合获得了新的性能。要获得优异的活性和选择性，首先需要采用新的方法合成具有大横向尺寸和合理结构修饰的单层MXenes，如表面缺陷、表面端基、杂原子掺杂和电子构型优化等。随后基于合理的结构设计，混合维度的MXenes异质结构(nD/2D，其中n为0、1、2或3) 大幅提升MXene异质结材料的催化及能储性能。

要点二：原子尺度的活性位点调控

具有单原子级活性位点的材料具有更好的催化性能，更好地了解MXenes材料上原子尺度活性位点可以为提高催化产物收率和能量转换效率提供潜在的机会。在蚀刻剂(腐蚀性氟化物和强酸)处理的合成过程中，MXenes表面产生大量缺陷、纳米孔结构和各种配位基团可用来锚定原子尺度的活性位点。活性组分通过缺陷稳定在MXene表面，进而提高了电催化性能。此外，明确的原子尺度活性位点可以有助于全面了解MXenes基异质结电催化剂的反应机理。

要点三：原位测试技术探究机制

原位测试表征技术在了解最基本的催化反应机制汇总发挥了重要的作用。对于MXene基异质结材料，各相间的相互作用成键及反应机制尚不明晰。而利用原位测试技术，如原位红外，原位拉曼，原位同步辐射等等手段，可对MXene基异质结材料的固有活性位点和材料电子结构进行深入研究。利用原位表征技术和理论计算方法识别反应条件下活性物种的变化、结构演化和催化机制是未来研究的一个重要领域。

 

 

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图文解析

   

▲图2  MXene负载单原子催化  

  

▲图3  MXene基催化机理  

▲表1  混合维度MXene基异质结构的界面设计、电催化应用及可能的改善策略。  

▲图4  MXene基异质结构的大规模生产：从纳米片到连续成膜、大面积一致性控制、原位及离线表征  

 

 

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总结与展望

（1） 基于高通量筛选和大数据模拟的新型MXenes开发和绿色规模化合成仍然是研究MXene异质结材料结构和性质的热点领域。

（2） 混合维度的MXene异质结材料需要合理的表面官能基团设计来进一步提高催化性能。同时，对这些机理的进一步研究对于今后的理论计算以及MXenes的设计和优化都是迫切需要的。

（3） 虽然MXenes材料在电化学能量转换和存储研究中不断取得重大成果，但MXene异质结材料仍处于应用的早期阶段。同时，多相催化及能储过程中，MXene异质结材料上原子级活性位点的作用机制有待进一步明晰。

 

 

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参考文献

Potential of MXene-Based Heterostructures for Energy Conversion and Storage

https://pubs.acs.org/doi/10.1021/acsenergylett.1c02132

 

 

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作者介绍

 

第一作者介绍

逄金波博士:  济南大学前沿交叉科学研究院，副研究员，硕士生导师（化学专业）。主要研究领域：二维材料的晶圆级可控合成和范德华异质结构筑及其在电子、光电子器件上的应用；碳纳米材料的电子、光电子学应用。主要研究成果：近年来在碳纳米管、石墨烯、过渡金属硫属化合物（二硒化钨）和贵金属硫属化合物（硫化铂、二硒化钯）等信息材料的设计理论、关键合成、基础应用等方面做出了较大贡献。以项目负责人承担国家自然科学基金、山东省自然科学基金和生物基材料与绿色造纸国家重点实验室开放课题等多项课题。在包括 Adv. Energy Mater.、InfoMat、 ACS Energy Lett.、Nano-Micro Lett.、ACS Nano、Nano Res.、Adv. Opt. Mater.、Solar RRL、Adv. Mater. Technol.、Chem. Soc. Rev.、Appl. Energy、ACS Sens.等学术期刊上发表 SCI 文章 53 余篇，被引2780余次，H 因子为 26，ESI高被引用论文6篇，获授权发明专利1项。

Email: ifc_pangjb@ujn.edu.cn

网页：

https://publons.com/researcher/1226317/jinbo-pang/

https://mp.weixin.qq.com/s/uQ4IhHb7Lad7FyCio3j-kQ