重庆大学李建波Renew. Sust. Energ. Rev.综述：二维材料MXenes的研究进展与展望：氢化镁的高效催化剂

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重庆大学李建波Renew. Sust. Energ. Rev.综述：二维材料MXenes的研究进展与展望：氢化镁的高效催化剂

邃瞳科学云

2025-05-13

导读：该综述系统地总结了从2016年至2024年间MXenes在MgH2中的应用发展，并从MXenes本身、MXenes衍生物和MXenes复合材料三方面对不同MXenes间的催化效果及作用机制进行了详细的

近日，重庆大学潘复生院士团队李建波教授在Renewable and Sustainable Energy Reviews上发表题为“Advances and perspectives of two-dimensional materials MXenes: Efficient catalysts for magnesium hydride”的综述性文章。该综述系统地总结了从2016年至2024年间MXenes在MgH₂中的应用发展，并从MXenes本身、MXenes衍生物和MXenes复合材料三方面对不同MXenes间的催化效果及作用机制进行了详细的对比。

全文速览

本文系统地综述了二维过渡金属碳氮化物—MXenes的研究进展，包括其结构、合成方法和作为氢气储存载体的潜在应用。同时，全面总结了MXenes作为催化剂在提高MgH₂吸放氢性能方面的作用，主要从MXenes本身、MXenes衍生物和MXenes复合材料三个方面展开，并详细的突出了它们各自的催化作用机制。最后，对MXenes催化剂的未来研究发展及其在MgH₂中的应用前景进行了展望。

图1 MXenes催化剂在氢化镁中的应用

研究背景

氢化镁(MgH₂)具有储氢质量密度高(~7.6 wt.%)、环境友好、可逆性好等优点，被认为是一种很有前途的固态储氢材料。然而，MgH₂稳定的热力学和缓慢的吸放氢动力学极大地阻碍了其商业化应用。当前，大量的研究致力于降低MgH₂的放氢温度和促进MgH₂的吸放氢反应速率，并取得了实质性的进展。其中，催化剂的添加被认为是改善MgH₂储氢性能最有效的方法之一。近年来，二维过渡金属碳氮化物—MXenes，由于其二维层状结构、高比表面积、可调控的表面终端和优异的热稳定性，在储能、生物医学、气体分离和水纯化等领域获得了广泛的应用。特别地，自2016年，Ti₃C₂ MXene首次被用作MgH₂的催化剂以来，其他类型的MXene及其衍生物或复合材料也被相继开发和应用。

文章要点

要点一：

介绍了MXenes（M_n+1X_nT_x）及其前驱体MAX（M_n+1AX_n）的结构，其中，M代表前过渡金属（如Ti、V、Zr、Nb、Ta和W等），A代表A族元素（通常为第13或第14元素，即Al和Si），X代表碳、氮或碳氮，n为1~3之间的整数，T_x代表表面终止基团（如O^2–、OH^–、F^–、Cl^–、Br^–、I^–和NH^–等）。迄今为止，尽管实验只合成了近50种类型的MXenes，但在理论上预测的MXenes种类不计其数。

图2 (a) MAX相的'M'、'A'、'X'元素在周期表中的位置；(b) 实验合成和理论计算出的M₂XT_x、M₃X₂T_x或M₄X₃T_x结构的MXenes。

要点二：

对MXenes的合成方法进行了总结，包括：HF刻蚀法、原位HF刻蚀法、Lewis酸刻蚀法、熔融氟盐刻蚀法、碱刻蚀法以及电化学刻蚀法等。

图3 不同刻蚀方法的示意图：(a) HF刻蚀法，(b) 原位HF刻蚀法，(c) Lewis酸性盐刻蚀法，(d) 熔融氟盐刻蚀法，(e) 碱刻蚀法，(f) 电化学刻蚀法。

要点三：

从理论计算和实验两方面总结了作为氢气储存载体的MXenes，包括Ti₂C、Sc₂C、Ti₂N以及Cr₂C等。特别地，成功实现了具备8.8 wt.%储氢容量的Ti₂CT_x的实验室合成。

图4 (a) 单个氢分子在Ti₂C 3×3超晶胞不同位置的吸附模型。蓝色箭头表示解离H原子的运动方向；(b) Ti₂C (3×3)_18H的化学吸附模型；(c) Ti₂C (3×3)_18H_36H₂的物理吸附模型；(d) Ti₂C (3×3)_18H_18H₂的Kubas型相互作用模型；(e) 相邻两个Ti₂CT_x纳米片的HAADF-STEM图像：由于不完全刻蚀(区域i)和喇叭状形貌(区域ii)而残留的Al原子。插图：Ti₂CT_x堆叠的扫描电子显微镜图像；(f)多层Ti₂CT_x的HAADF-STEM图像；(g) Ti₂CT_x的储氢过程示意图。

要点四：

以单元金属MXenes为分类依据，详细介绍了Ti₃C₂、Ti₂C、Nb₂C、V₂C、V₄C₃、Nb₄C₃和Ti₃CN在氢化镁中的应用。其中，重点介绍了阴离子缺陷调控、异质原子掺杂以及层间距扩大和表面官能团统一对Nb₂C催化性能的影响及其催化作用机制。

图5 (a₁-a₄) 具有阴离子缺陷的Nb₂CT_x，(b₁-b₄) S、N异质原子掺杂的Nb₂CT_x以及(c₁-c₄)层间距扩大和表面官能团统一的Nb₂CT_x的制备及其对氢化镁储氢性能的影响和催化机理。

要点五：

以双元金属MXenes为分类依据，详细介绍了(Ti_0.5V_0.5)₃C₂、Ti₂VC₂、Mo₂TiC₂、NbTiC、TiNbCT_x等在氢化镁中的应用。其中，重点对比了组元相同的NbTiC和TiNbC MXene在催化性能及机理方面的差异。

图6 (a₁-a₉) MgH₂-9 wt.%NbTiC和(b₁-b₈) MGH@d-TiNbCT_x复合材料的储氢性能、微观结构以及NbTiC的催化作用机制。

要点六：

以MXenes的部分物相变化为分类依据，详细介绍了MXenes衍生物—Ti₃C₂/TiO₂(A)-C和N-Nb₂O₅@Nb₂C在氢化镁中的应用，特别地，重点介绍了异质N原子掺杂的N-Nb₂O₅@Nb₂C的催化性能及作用机制，再次强调了异质原子掺杂策略在调控MXene催化活性的重要性。

图7 (a) N-Nb₂O₅@Nb₂C催化剂的合成路线；(b) Nb₂C，(c) Nb₂O₅@Nb₂C，(d) N-Nb₂O₅@Nb₂C的SEM图；(e)不同催化剂的非等温曲线；(f) MgH₂+N-Nb₂O₅@Nb₂C的等温放氢和(g)吸氢曲线；(h) MgH₂和(i) MgH₂+N-Nb₂O₅@Nb₂C的循环吸氢曲线；(j) MgH₂和(k) MgH₂+N-Nb₂O₅@Nb₂C的吸放氢循环反应；(l)不同状态的MgH₂+N-Nb₂O₅@Nb₂C的XRD谱图；不同状态的MgH₂+N-Nb₂O₅@Nb₂C的高分辨(m) Nb 3d，(n) N 1s和(o) C 1s XPS谱；吸氢态MgH₂+N-Nb₂O₅@Nb₂C的(p) TEM和(q) HRTEM图像；(r)差分电荷密度;(s) MgH₂团簇，(t) MgH₂/NbN (110)和(u) MgH₂/Nb₂O₅(010)的PDOS。

要点七：

以MXenes的完全物相变化为分类依据，详细介绍了V₂O₅@C、K₂Ti₆O₁₃、Na₂Ti₃O₇-O_v等衍生物在氢化镁中的应用，特别地，重点介绍了具有特殊形貌的金缕梅状K₂Ti₆O₁₃和花妆Na₂Ti₃O₇-O_v的催化性能及作用机制，突出了形貌对催化剂催化性能的影响。

图8 (a₁-a₁₃) K₂Ti₆O₁₃和(b₁-b₁₃) Na₂Ti₃O₇-O_v催化剂的制备过程、微观结构表征及其对氢化镁的储氢性能和催化作用机制。

要点八：

以过渡金属单质和MXenes的复合为分类依据，详细介绍了Ni₃₀/FL-Ti₃C₂T_x、Ni@Ti-MX、Ni/Ti₃C₂-WE、Ni@C-MXene、Ni₃₀/YC_xF_y、Cu@MXene等MXene复合催化剂在氢化镁中的应用。其中，重点对比了具有相同组元的Ni单质与Ti₃C₂ MXene复合的催化剂在催化性能及机理方面的差异。

图9 (a₁-a₅) Ni/FL-Ti₃C₂T_x, (b₁-b₅) Ni@Ti-MX和(c₁-c₄) Ni/Ti₃C₂-WE催化剂的合成过程、微观表征以及催化机理。

要点九：

以过渡金属氧化物/卤化物和MXenes的复合为分类依据，详细介绍了M-TiO₂/FL-Ti₃C₂T_x、Ti₃C₂@MnO₂、ZrO₂@Nb₂CT_x、MnO_x@Ti₂CT_x、PrF₃/Ti₃C₂、PrF₃/V₂C等MXene复合催化剂在氢化镁中的应用。其中，重点介绍了过渡金属氧化物与MXene复合后对氢化镁吸放氢过程的协同催化作用。

图10 (a₁-a₇) M-TiO₂/FL-Ti₃C₂T_x, (b₁-b₇) Ti₃C₂@MnO₂和(c₁-c₅) ZrO₂@Nb₂CT_x催化剂的合成过程以及催化机理。

总结与展望

本文首先系统地介绍了MXenes的研究进展，包括它们的MAX前驱体、结构、合成方法以及在储氢方面的应用。MXenes自身作为储氢材料的可行性已在在理论和实验上得到验证，其中Ti₂C可达到~8.8 wt.%的高储氢量。考虑到MXene特殊的物理和化学性质，本文将其作为高效的催化剂应用于提高MgH₂的吸/放氢反应性能，主要分为三个方面：MXenes自身、MXenes衍生物和MXenes复合材料。进一步地，MXenes自身细分为单金属MXenes和双金属MXenes两个方向；MXenes衍生物细分为两类：MXenes的部分氧化和完全氧化；MXene复合材料则细分为过渡金属与MXene的复合以及金属化合物和MXene的复合。最后，对于未来MXenes催化剂的设计及其在MgH₂中的应用研究提出了展望：

(1) 迄今为止，已经开发了多种调控单元金属MXenes催化性能的方法，而对MXenes衍生物和MXenes复合材料的性能调控方法却鲜有报道。鉴于其比MXenes本身更优异的催化能力，有必要探索新的途径来进一步提高其催化活性。

(2) "协同催化"的概念已经成为催化剂设计的指导原则和主要趋势。金属元素的多样性为设计MXene催化剂提供了许多可能性，不同元素的组合导致了不同的催化能力。然而，仅仅通过实验来验证MXene催化剂的催化能力效率较低。因此，在MXene催化剂的设计中对可靠有效的预测方法有很高的需求。机器学习方法可以建立影响因素与目标性能之间的定量关系，从而实现对MXene催化剂催化能力的可靠预测。

(3) 特别地，由于表征设备的差异，相同的MXene表现出完全不同的物相变化。因此，应该使用更先进的表征方法，如原位透射、X射线吸收光谱和球差电镜，可以更清楚地表征催化剂在吸/放氢反应过程中的物相变化，以阐明MXene催化剂的真实物相变化。

(4) 从实验中得到的催化机理通常是不准确的和浅显的，使得一些MXenes催化剂对MgH₂的催化机理仍然难以捉摸。经过长期的发展，DFT计算已经被证明在原子和分子尺度上提供了更深入的理解催化机理的价值。因此，理论计算应该被用来进一步阐明MXene催化剂的催化机理。

(5) 一般而言，催化剂的引入不会改变MgH₂的热力学性质，但会改善其动力学性质。多年来，人们发展了纳米限域策略来实现MgH₂热力学性能的改善。鉴于MXenes独特的结构和高催化活性，它们可以作为MgH₂的潜在纳米限域载体，同时改善其热力学和动力学性能。

文献信息

Heng Lu, Jianbo Li, Ruilin Zhang, Kunyan Nie, Qian Li, Yu'an Chen, Fusheng Pan, Advances and perspectives of two-dimensional materials MXenes: Efficient catalysts for magnesium hydride, Renewable and Sustainable Energy Reviews, 217, 2025, 115759.

https://doi.org/10.1016/j.rser.2025.115759

作者介绍

李建波，重庆大学材料科学与工程学院教授/博士生导师。长期从事镁基复合材料制备及变形机理、镁基储氢材料催化机理及规模化制备等领域的研究，主持国家重点研发计划青年科学家、国家自然科学基金面上、国家自然科学基金青年基金项目等多个项目；以第一或通讯作者身份在J. Mater. Sci. Technol.、J. Magnes. Alloy.、Renew. Sust. Energ. Rev.、Mat. Sci. Eng. A、Mater. Charact.、J. Phys. Chem. Lett. 等期刊发表论文50余篇，申请国家发明专利10余项，获得重庆市科技进步一等奖、中国有色金属工业技术发明一等奖各1项。

潘复生，中国工程院院士、重庆大学材料科学与工程学院教授/博士生导师，国家镁合金材料工程技术研究中心荣誉主任、重庆市科学技术协会主席、重庆新型储能材料与装备研究院院长、中国工程科技发展重庆研究院院长、《Journal of Magnesium and Alloys》国际期刊主编、国际标准化组织（ISO）镁及镁合金技术委员会主席、国际镁学会主席、中国材料研究学会副理事长等。主要从事轻合金（镁合金、铝合金）材料、金属储能材料、金属生物材料、金属复合材料、工具钢等方面的研究。被评为“全国优秀科技工作者”，何梁何利奖和（美国）杜邦科技创新奖获得者。