摘要
Two-dimensional carbides,nitrides,and carbonitrides(MXenes)play important roles in promoting the development of sustainable energy because they have abundant reactive sites on their surfaces.An increasing number of MXenes with diverse elements and composites have been predicted and synthesized for electrocatalysis applications since the first report of a Ti-Mo-based MXene for the hydrogen evolution reaction(HER).Herein,we summarize the progress of MXene-based electrocatalysts for the HER,the oxygen evolution reaction,and the oxygen reduction reaction,including regulated pristine MXenes and modified hybrid MXenes,from both theoretical and experimental perspectives.A brief overview on MXene synthesis is presented first,accompanied by a discussion on the relationship between electrocatalytic properties and M,X,T,vacancies,and morphologies.After reviewing strategies in terms of atom substitution,functional modification,defect engineering,and morphology control,we emphasize the construction of heterojunctions between MXenes and other nanostructures,such as metal nanoparticles,oxides,hydroxides,sulfides,and phosphides.We finally discuss prospects for the future development of MXene-based electrocatalysts.
化石能源过度消耗导致的环境污染问题使发展绿色可持续替代能源成为人们需要面对的重要问题.寻找绿色高效的方法生产可再生燃料是一个有效的策略,在减少二氧化碳排放的同时可满足能源需求.电催化是一种实现清洁能源的重要途径,可将地球上含量丰富的H_(2)O,N_(2),CO_(2)和O_(2)等转化为燃料和化合物.尽管贵金属Pt,RuO_(2)等具有优异的电催化性能,但由于成本高、储量少限制了其大规模应用,因此开发一种高活性且低成本的电催化剂是实现大规模应用的关键.由于具有独特的形貌和电子结构,石墨烯,黑磷和二硫化钼等二维材料已经在电催化领域得到了广泛应用.作为一种新型的二维材料,碳化物、氮化物和碳氮化物(MXenes)不仅具有良好的机械性能和大比表面积,其较好的导电性和基底面上丰富的活性位点在促进可持续能源发展方面发挥了更重要的作用.自MXenes首次被用于析氢反应(HER)以来,大量的工作预测并合成了具有多种元素的MXenes及其复合材料,并用于电催化反应.本文从理论和实验两方面综述了基于MXenes在HER、析氧反应(OER)和氧还原反应(ORR)方面的研究进展,包括对原始MXenes的结构形态调控和对杂化MXenes的修饰.简要介绍了MXenes的蚀刻合成法(氢氟酸蚀刻、熔融盐蚀刻和电化学蚀刻等),提出了设计MXene基电催化剂的基本原则(提高稳定性、导电性和固有活性)并将其电催化性能与M,X,T和空位以及形貌的关系进行了总结.对于HER,原始MXene表面的氧官能团是活性位点,通过调节M,X和空位的类型可以调节表面氧原子的电子结构,从而使氢吸附吉布斯自由能趋于零,提高MXene的固有活性.对于OER和ORR,原始MXene不具备固有催化活性,然而某些金属(Pt,Ru等)在T位上以单原子形式掺杂从而形成的MXene基单原子催化剂表现出良好的催化性能.在总结了原子取代、功能修饰、缺陷工程和形貌控制等方面的研究策略后,重点讨论了MXenes与金属纳米颗粒、氧化物、氢氧化物、硫化物、磷化物等其他纳米结构异质结的构建.最后提出了MXenes目前面临的问题和挑战,并展望了其在电催化领域的应用前景.
基金
国家自然科学基金(22075099)
吉林省教育厅(JJKH20220967KJ).
