MXene基催化剂在电解水和金属空气电池中的研究进展

发布者：胡荣祥发布时间：2021-10-11浏览次数：928


MXene基催化剂在电解水和金属空气电池中的研究进展

一、研究背景：

电解水制氢和金属空气电池是目前认为高效、可靠的能源转换技术。然而，两者过高的过电位导致了转化效率低、副反应严重等问题。开发合适的催化剂降低过电位对此类能源技术至关重要。二维过渡金属碳化物和氮化物（MXenes）具有高导电性、亲水性、较大的比表面积以及可调节的表面特性，在电催化领域表现出巨大的潜力，已得到广泛关注。

二、研究工作简单介绍

日前，东南大学孙正明课题组在Energy Storage Materials上发表以“Research Progress of MXene-based Catalysts for Electrochemical Water-splitting and Metal-air Batteries”为题的综述，梳理了MXene基催化剂在电解水制氢和金属空气电池等领域的最新进展。文章系统总结了MXenes的合成方法及在电催化领域的应用，包括析氢反应（HER）、析氧反应（OER）、氧还原反应（ORR）和双功能活性（HER/OER和 OER/ORR）。然后，全面讨论了提高MXene基催化剂性能的策略—表面官能团控制、缺陷工程、杂原子掺杂、活性材料负载和结构设计；最后，总结了MXene基电催化剂所面临的挑战，并展望了其发展前景。

图1. MXenes在电催化领域的应用及调控策略。

三、核心内容表述部分

 MXenes是一类具有二维结构的过渡金属碳/氮化物的统称，其化学式通常为Mn+1XnTx（n=1-3），其中M代表过渡金属（Ti，V，Nb等），X代表C或N，T则代表官能团（O、–OH、–F等)。自2011年Naguib等首次制得Ti3C2Tx-MXene以来，MXenes作为一类新型二维材料，因其优异的导电性、丰富的表面基团、良好的亲水性、催化活性而广泛应用于能源、催化等领域。目前，其最广泛的制备方法是通过HF或LiF+HCl来刻蚀MAX相中的A层原子。本文总结了MXenes制备技术，其中新兴的路易斯酸刻蚀、电化学刻蚀以及CVD途径可避免HF，开辟了安全、环保制备高质量MXenes的新途径。对刻蚀而来的MXenes插层处理可进一步提高其比表面积，暴露更多活性位点。此外，MXenes中缺陷及其表面官能团易受制备方法影响，而调控MXenes缺陷与表面官能团是优化其电催化性能的有效途径。

图2. MXenes制备方法：（a）HF刻蚀；（b）熔融盐刻蚀；（c）路易斯酸刻蚀；（d）CVD制备Mo2C

提高MXenes基催化性能的主要策略有：（1）表面性质调控。通过改变表面官能团、缺陷工程以及原子掺杂调节电子结构，以优化其对反应中间产物的吸附/脱附强度；（2）负载活性材料。MXenes丰富的官能团使其杂化材料中有较强的界面耦合，可进一步优化活性中心的电子结构，不仅能有效避免活性物质团聚还能促进电荷转移；（3）结构设计。基于MXenes的分级结构设计可有效促进反应过程中的传质和扩散。

图3. MXenes基催化剂用于全解水：(a), (b) BP QDs/Ti3C2Tx；(c), (d)1T/2H MoSe2/Ti3C2Tx；(e), (f) CoP/Ti3C2Tx；(g) NiFe-LDH/Ti3C2Tx；(h), (i) Ni1-xFexPS3/Ti3C2Tx


图4. MXenes基催化剂用于金属空气电池：（a）Ti2C用于锂空气电池；（b），（c）NiCo2O4/MXene用于锌空气电池；（d），(e) nitride-Ti3C2用于锌空气电池；（f），（g），（h）N-CoSe2/3D Ti3C2Tx用于锌空气电池

 MXenes在电催化领域的研究虽然尚处于起步阶段，但已取得诸多重要进展，相关研究的进一步突破将围绕以下几个方面。（1）合成电催化性能更优越的新型MXenes；（2）开发绿色环保的MXenes合成策略，推动MXenes的规模化制备及其在电催化领域的规模化应用；（3）通过理论计算优化、指导MXenes基电催化剂的开发；（4）通过原位表征技术进一步阐明MXenes基材料的催化机理；（5）利用MXenes开发新型柔性、可穿戴能量存储和转化器件。

四、文献详情

 Jingyuan Qiao, Lingqiao Kong, Shaokang Xu, Kaixian Lin, Wei He*, Meng Ni, Qiushi Ruan, Peigen Zhang*, Ying Liu, Wei Zhang, Long Pan, ZhengMing Sun*, Research Progress of MXene-based Catalysts for Electrochemical Water-splitting and Metal-air Batteries, Energy Storage Materials, DOI: 10.1016/j.ensm.2021.09.034