Advanced Materials综述报道：MXene基电化学器件及光电催化剂的最新进展与挑战

【引言】

全球能源消耗的不断加剧，催生新型能源生产手段的发展。为降低能源消耗造成温室气体排放，环境污染和能源危机等问题，探索可以提高能源利用效率和绿色可再生的能源技术（如超级电容器、电池、电催化和光催化技术）成为研究人员探索和关注的焦点和热点。新材料的发展及其结构优化成为推动这些新型技术发展到实用的关键。二维纳米材料对许多领域的基础研究和实际应用都具有巨大的影响。石墨烯的突破性发现和成功应用激发了类石墨烯的原子级二维材料的快速发展，包括单元素材料（如硅烯、锗烯、磷烯、硼烯等），双元素材料（如氮化硼、氮化碳、过渡金属硫化物等）和多元素（如层状金属氢氧化物、粘土、金属有机骨架、共价有机骨架等）。 在后石墨烯时代，过渡金属碳化物或氮化物（MXene）已成为一种非常重要且越来越受认可的二维纳米材料。它具有许多优越的特性包括元素组成灵活可调性，金属特性，载流子迁移各向异性，易调的能带隙以及良好的光学和机械性能。因此被认为是拥有巨大应用潜力的新一代储能和能源转化材料而备受关注。为充分利用这些属性和进一步挖掘MXene的潜力，近年来研究学者通过插层、层离、功能化、杂化等方式，结合理论计算，开发和发展了多种新型功能型MXene纳米结构如单层，多层，纳米粒子，量子点以及功能复合材料。在应用于能源转换和存储，催化，吸附，膜分离，传感器，场效应晶体管，光热转换及细胞成像等领域，展现了卓越的性能并取得了重要的进展。

尽管MXene的特性研究和应用潜力的开发尚处于起步阶段，对该类新兴二维材料的重要进展，迫切需要对其进行详细的总结并深入地讨论其在光（电）催化剂及电化学器件领域研究过程中决定材料构效及应用的关键因素，这对探索合适的工艺以进一步提高其光（电）性能而言非常重要。

【成果简介】

为了全面概述MXene基电化学器件及光电催化剂的最新进展，新加坡南洋理工大学王昕教授和Jia wei Chew助理教授（共同通讯）在Advanced Materials发表了题为“Clay-Inspired MXene-Based Electrochemical Devices and Photo-Electrocatalyst: State-of-the-Art Progresses and Challenges”的综述文章，王侯博士为论文第一作者。该综述主要从MXene材料的独特价值和基本性质出发，然后总结了MXene单体, 功能化的MXene以及复合材料的合成路线，突出了其在超级电容器、电池（锂离子电池，锂-硫电池及其他碱金属电池）、电催化和光催化的应用。最终提出了MXene在这些领域研究与应用的重要挑战和发展前景，譬如(1)非酸刻蚀制备高质量、原子级别的MXene合成路线及其调控；(2)深入理解MXene表面及层间环境和发展混合低维度层级复合材料；(3) 开展MXene基材料在Li–S, Li–O₂, Li–X (X = Se, Te, I₂及Br₂)电池领域的应用研究；(4) MXene基材料在光电催化领域的研究相对较少，非常值得深入开展MXene在产氢、产氧、氧还原、二氧化碳固定、环境修复、氨合成等领域的研究。

【图文导读】

图1.M₃AX₂, M₃X₂and M₃X₂T_x构型示意图及利用氢氟酸刻蚀制备MXene的流程示意图。

图2.MXene的独特价值和性质。

图3. (a) Ti₃C₂T_x薄片的SEM图，(b) 折叠型Ti₃C₂T_x薄片图。(c, d) HF和LiF-HCl刻蚀合成的Ti₃C₂的¹H and¹⁹F 核磁共振图。(e) Hf₃C₂T_z合成路线图。(f)单层Mo_1.33C的HAADF-STEM图和MAX phase的原子仿真示意图。(g)原始和卷曲的Ti₃C₂T_x纳米片SEM图。(h) 不同形貌Ti₂C的合成示意图。

图4. (a) 聚吡咯修饰MXene的TEM 截面图和合成示意图。(b) Ti₃C₂T_x/碳纳米管复合材料自组装合成示意图。

(a)

(b)

图5. (a) 多层Ti₃C₂T_x的吸附位点图及Ti₃C₂T_x/炭黑-PTFE薄板的电容图（扫描速率 2 mV s^–1and 20 mV s^–1，1 M MgCl₂）。(b) 以H₂SO₄和 (NH₄)₂SO₄为电解质的Ti₃C₂T_x基电极及可逆的电化学转换的机理示意图。

图6. (a) 全Ti₃C₂T_x微型超级电容器制备过程。(b)L-s-Ti₃C₂T_x微型超级电容器在不同扫描速率条件下的伏安特性曲线。(c) 不同Ti₃C₂T_x微型超级电容器的体积能量密度的Ragone 点。(d) 不同Ti₃C₂T_x微型超级电容器在在不同扫描速率条件下的面电容和体积电容。(e) 在200 mV s⁻¹扫描速率条件下，2500次循环后平面和弯曲构型时的电容保留率，其中内插图为微型器件。(f) 三个串联的微型超级电容器LED供电图。(g) 冷冻干燥后Ti₃CNT_x的SEM图。(h, i) 冻干的Ti₃CNT_x的电容值与文献中电容值的对比示意图。(j) Nb₂CT_x/CNT基电池示意图。

图7. (a) CTAB在Ti₃C₂层间的位置。(b) CTAB−Sn(IV)@Ti₃C₂的SEM, TEM和元素分布图。(c) CTAB−Sn(IV)@Ti₃C₂//AC 锂离子电容器在2 A g⁻¹条件下的充电过程和充电-放电曲线。(e) 使用聚丙烯和MXene/聚丙烯材料作为分离层Li−S电池的构型示意图。(f) 70wt% S/Ti₂C在C/20~1C范围内的电压变化图。(g) 羟基修饰的MXene态与多聚硫的两步作用示意图。(h)电池长期循环性能示意图。

图8. (a) 氧终端的MXene纳米片的理论电容。(b) Ti₂CT_x和Na₂Fe₂(SO₄)₃vs Na/Na⁺的充电/放电曲线，电流分别为30 mA g^-1和6 mA g^-1，其中插图为Ti₂CT_x/Na₂Fe₂(SO₄)₃电池示意图。(c) Na⁺嵌入Ti₃C₂T_x的机理示意图。(d) g-Ti₃C₂T_x/CNT-SA 在电流密度为50 mA (g-Ti₃C₂T_x/CNT-SA)^-1的循环性能，其中自组装的钠离子电池点亮LED图。(e) Zr₂CO₂和Hf₂CO₂在不同方向的载流子移动以及光生电子-空穴的示意图。(f) TiO₂/Ti₃C₂界面结构TEM图和仿真图，四类钛原子的局域态分布图。(g, h) Ti1−O1−Ti2和Ti3−O2−Ti4的局域态密度分布图。

图9. (a)不同条件下(111) r-TiO₂/Ti₃C₂在紫外光下催化降解MO的降解速率图。(b) (111)r-TiO_2-x/Ti₃C₂在可见光条件下降解MB效果图。(c) 氧终端的Ti₃C₂, Pt, MoS₂, 和WS₂产氢的自由能对比图。(d)可见光条件下CdS/Ti₃C₂光催化产氢机理示意图。

图10(a) 不同催化剂的Tafel图. (b) MoS₂/Ti₃C₂-MXene@C催化剂2000循环后在50 mV s⁻¹条件下的极化曲线图。(c) MoS₂/Ti₃C₂-MXene@C 催化剂在η= 130 mV时的电流密度随时间变化的示意图。(d) 堆叠Ti₃C₂T_x/CoBDC复合材料的TEM示意图。(e) 不同催化剂产氧反应的极化曲线及机理示意图。(f)不同电极的Tafel 点示意图.

文章链接：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).

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