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MXene基材料的最新进展：潜在的高性能电催化剂
作者：刘安敏*，梁兴游，任雪峰*，关炜馨，高梦凡，杨亚男，杨其悦，高立国，李艳强，马廷丽*
背景简介
自2011年首次制备Ti3C2TxMXene以来，研究者们对其产生了极大的兴趣。MXene作为一种新型的二维纳米片材，凭借其高比表面积、良好的导电性和高机械强度等多重优势在各个领域显示出巨大的应用潜力。
截至目前，MXene在电化学储能、催化、光热转换、水净化、气体分离、生物医学应用、电磁屏蔽等方面都有了广泛的应用。其中，在当前受到广泛关注的催化领域，电催化技术是未来清洁能源转化技术的一种极具前景的途径。
许多研究表明，MXene可以作为昂贵的铂基催化剂用于此类反应的经济替代品。这引发了研究学者对MXene基电催化剂的合理设计，以扩大其在电催化领域的应用范围。
文章介绍
近日，大连理工大学刘安敏博士与九州工业大学马廷丽教授在国际著名学术期刊Advanced Functional Materials(影响因子：16.836)上发表题目为“Recent Progress in MXene-Based Materials: Potential High-Performance Electrocatalysts”的综述文章。
该文全面系统地总结了MXenes基材料在电催化中应用的最新进展，包括析氢反应（HER）、氮还原反应（NRR）、析氧反应（OER）、氧还原反应（ORR）、二氧化碳还原反应（CO2RR）和甲醇氧化反应（MOR），并对其面临的问题和未来的发展方向作出了展望。
要点解析
MXene最广泛的制备方法主要通过在含氟离子的水溶液（例如HF或LiF + HCl混合物）中选择性蚀刻MAX相中的A层，在这些方法中直接使用或原位生成HF引起了相当大的安全和环境问题，并且由于惰性的F末端而降低了材料性能，这阻碍了对MXene的广泛研究。文章对目前更绿色、安全制备MXene的方法进行了总结归纳，主要包括路易斯酸刻蚀，无水刻蚀，电化学刻蚀和碱处理等制备方法，这些无HF的制备方法开辟了制备MXene的新途径。
文章着重介绍了了有关MXene和基于MXene的纳米复合材料设计的最新研究成果，这些纳米复合材料可用于电催化的多种应用，包括HER，NRR，OER，ORR，CO2RR和MOR。
MXene是2D纳米材料的一大家族，具有出色的特性和性能，例如高金属导电性，可调节的形态和带隙结构，特殊的载流子各向异性迁移率，机械稳定性，热稳定性，亲水性和大的比表面积，激发了对MXene基电催化剂合理的设计。
目前，已经提出了许多改善基于MXene的材料的催化性能的策略，包括边界状态控制，官能团控制，缺陷状态控制，单原子负载，2D材料约束效应和异质结结构。通过多种调控手段协同作用，从不同角度来对催化剂的性能进行优化，可以获得最大的催化效果提升。
结论
电催化作为未来清洁能源转换和绿色化学中最具前景的核心技术，2D MXene为高性能电催化剂的探索开辟了道路。得益于其独特的物理和化学性质，研究学者已经对MXene进行了更深入的探究。
为了进一步促进MXene在电催化领域的应用，研究学者们可以从以下三个方面进行探索：
Ⅰ）表面性质的调节；例如通过晶体表面调节，形态和尺寸调节，缺陷调节等策略设计催化剂。
Ⅱ）多金属MXene；多金属MXene的协同效应和几何效应将直接形成定向的电子分布和更多的活性位点，进而提高电催化性能。
Ⅲ）复合材料协同催化；MXenes是复合材料的优异的导电增强剂，显示出强大的界面耦合和快速的电荷转移动力学，可有效增强复合材料的电化学性能。
此外，有必要进行进一步的研究以获得对MXene催化机理更精确的理解，从而准确高效地指导MXene基电催化剂的合成。除Ti3C2Tx以外的MXene尚未得到广泛的研究，值得在以后进行进一步的讨论。
机遇与挑战并存，MXene也存在一些问题：
（1）MXenes材料存在稳定性差的问题。它不能在常温常压的环境下制备，并且在空气中易氧化。因此，迫切需要解决MXenes材料的稳定性。
（2）普通酸蚀法具有较高的风险和毒性。目前，已经提出了许多更安全，更环保的制备MXene的方法，并且有望完全解决这一难题。
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