Advanced Materials綜述報道：MXene基電化學器件及光電催化劑的最新進展與挑戰

【引言】

全球能源消耗的不斷加劇，催生新型能源生產手段的發展。為降低能源消耗造成溫室氣體排放，環境污染和能源危機等問題，探索可以提高能源利用效率和綠色可再生的能源技術（如超級電容器、電池、電催化和光催化技術）成為研究人員探索和關注的焦點和熱點。新材料的發展及其結構優化成為推動這些新型技術發展到實用的關鍵。二維納米材料對許多領域的基礎研究和實際應用都具有巨大的影響。石墨烯的突破性發現和成功應用激發了類石墨烯的原子級二維材料的快速發展，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、金屬有機骨架、共價有機骨架等）。?在后石墨烯時代，過渡金屬碳化物或氮化物（MXene）已成為一種非常重要且越來越受認可的二維納米材料。它具有許多優越的特性包括元素組成靈活可調性，金屬特性，載流子遷移各向異性，易調的能帶隙以及良好的光學和機械性能。因此被認為是擁有巨大應用潛力的新一代儲能和能源轉化材料而備受關注。為充分利用這些屬性和進一步挖掘MXene的潛力，近年來研究學者通過插層、層離、功能化、雜化等方式，結合理論計算，開發和發展了多種新型功能型MXene納米結構如單層，多層，納米粒子，量子點以及功能復合材料。在應用于能源轉換和存儲，催化，吸附，膜分離，傳感器，場效應晶體管，光熱轉換及細胞成像等領域，展現了卓越的性能并取得了重要的進展。

盡管MXene的特性研究和應用潛力的開發尚處于起步階段，對該類新興二維材料的重要進展，迫切需要對其進行詳細的總結并深入地討論其在光（電）催化劑及電化學器件領域研究過程中決定材料構效及應用的關鍵因素，這對探索合適的工藝以進一步提高其光（電）性能而言非常重要。

【成果簡介】

為了全面概述MXene基電化學器件及光電催化劑的最新進展，新加坡南洋理工大學王昕教授和Jia wei Chew助理教授（共同通訊）在Advanced Materials發表了題為“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材料的獨特價值和基本性質出發，然后總結了MXene單體, 功能化的MXene以及復合材料的合成路線，突出了其在超級電容器、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用。最終提出了MXene在這些領域研究與應用的重要挑戰和發展前景，譬如(1)非酸刻蝕制備高質量、原子級別的MXene合成路線及其調控；(2)深入理解MXene表面及層間環境和發展混合低維度層級復合材料；(3) 開展MXene基材料在Li–S, Li–O₂, Li–X (X = Se, Te, I₂及Br₂)電池領域的應用研究；(4) MXene基材料在光電催化領域的研究相對較少，非常值得深入開展MXene在產氫、產氧、氧還原、二氧化碳固定、環境修復、氨合成等領域的研究。

【圖文導讀】

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

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圖 2. MXene的獨特價值和性質。

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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為電解質的Ti₃C₂T_x基電極及可逆的電化學轉換的機理示意圖。

圖 6. (a) 全Ti₃C₂T_x 微型超級電容器制備過程。(b) L-s-Ti₃C₂T_x微型超級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 微型超級電容器的體積能量密度的Ragone 點。(d) 不同Ti₃C₂T_x 微型超級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次循環后平面和彎曲構型時的電容保留率，其中內插圖為微型器件。(f) 三個串聯的微型超級電容器LED供電圖。(g) 冷凍干燥后Ti₃CNT_x的SEM圖。(h, i) 凍干的Ti₃CNT_x的電容值與文獻中電容值的對比示意圖。(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電池的構型示意圖。(f) 70wt% S/Ti₂C在C/20~1C范圍內的電壓變化圖。(g) 羥基修飾的MXene態與多聚硫的兩步作用示意圖。(h)電池長期循環性能示意圖。

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的循環性能，其中自組裝的鈉離子電池點亮LED圖。(e) Zr₂CO₂和Hf₂CO₂在不同方向的載流子移動以及光生電子-空穴的示意圖。(f) TiO₂/Ti₃C₂界面結構TEM圖和仿真圖，四類鈦原子的局域態分布圖。(g, h) Ti1?O1?Ti2和Ti3?O2?Ti4的局域態密度分布圖。

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在可見光條件下降解MB效果圖。(c) 氧終端的Ti₃C₂, Pt, MoS₂, 和WS₂ 產氫的自由能對比圖。(d)可見光條件下CdS/Ti₃C₂ 光催化產氫機理示意圖。

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時的電流密度隨時間變化的示意圖。(d) 堆疊Ti₃C₂T_x/CoBDC復合材料的TEM示意圖。(e) 不同催化劑產氧反應的極化曲線及機理示意圖。(f)不同電極的Tafel 點示意圖.

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).

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