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研究摘要

二維材料因其獨(dú)特的平面結(jié)構(gòu)而具有與傳統(tǒng)塊狀材料不同的物理和化學(xué)性質(zhì)。近年來(lái)越來(lái)越多的二維材料被廣泛研究，例如，石墨烯、過(guò)渡金屬二鹵族化合物、六方氮化硼、二維金屬有機(jī)骨架等。其中MXenes由于其可調(diào)的帶隙、良好的電導(dǎo)率和優(yōu)良的光電性能，而被廣泛應(yīng)用于能源存儲(chǔ)和轉(zhuǎn)換、傳感器、電催化、電磁屏蔽和光催化等領(lǐng)域。近期，由于MXenes可調(diào)的表面終止基團(tuán)、高的熱穩(wěn)定性以及類(lèi)貴金屬的催化性能，而使其在加氫、脫氫、水煤氣和脫硫等熱催化反應(yīng)中受到廣泛關(guān)注?；诖?，清華大學(xué)資源與環(huán)境課題組系統(tǒng)的總結(jié)了MXenes直接作為催化劑和作為催化劑載體在熱催化方面起到的作用。重點(diǎn)強(qiáng)調(diào)了MXenes表面終止基團(tuán)活性位點(diǎn)的性質(zhì)，分析了MXenes與金屬粒子復(fù)合時(shí)二者的相互作用。

圖文導(dǎo)讀

1 MXenes作為催化劑直接參與反應(yīng)

MXenes是熱催化領(lǐng)域的一種新興材料。由于其高的熱穩(wěn)定性和獨(dú)特的結(jié)構(gòu)使其相比于傳統(tǒng)催化劑有一定的優(yōu)勢(shì)。在眾多的MXenes中，因?yàn)門(mén)i3(C/N)2Tx、Mo2CTx和V2CTx的制備工藝相對(duì)成熟，結(jié)構(gòu)更易修飾而被深入研究。我們總結(jié)了上述MXenes 材料可以催化的反應(yīng)類(lèi)型，并將上述MXenes材料與傳統(tǒng)催化劑進(jìn)行比較（圖1）。

圖1.?常用的MXenes催化劑及其在熱催化中的應(yīng)用

1.1 MXenes表面終止基團(tuán)的作用

MXenes的許多重要性質(zhì)如親水性、電導(dǎo)率、和穩(wěn)定性可以通過(guò)控制表面終止基Tx的數(shù)量和種類(lèi)來(lái)調(diào)節(jié)。同樣，改變Tx基團(tuán)也可以影響MXenes在熱催化反應(yīng)中的活性和選擇性。這歸因于Tx基團(tuán)對(duì)相鄰過(guò)渡金屬原子和表面性質(zhì)的影響。因此，我們總結(jié)了改變表面終止基團(tuán)類(lèi)型和覆蓋范圍的方法，并進(jìn)一步從三個(gè)方面總結(jié)了Tx的作用：（i）影響過(guò)渡金屬的暴露，（ii）影響相鄰過(guò)渡金屬原子的氧化態(tài)，（iii）改變酸堿性質(zhì)（圖2）。

圖2.?表面終止基團(tuán)的影響。

1.2 MXenes活性位點(diǎn)的性質(zhì)

活性位點(diǎn)通常是暴露的過(guò)渡金屬或金屬和MXenes表面終止基團(tuán)共同形成的獨(dú)特結(jié)構(gòu)。與調(diào)整終止基團(tuán)相比，調(diào)節(jié)活性位點(diǎn)是提高熱催化效率更直接的方法，因?yàn)檫@些位點(diǎn)會(huì)促進(jìn)反應(yīng)物形成自由基粒子或降低反應(yīng)的能勢(shì)位壘（圖3）。

圖3.?活性位點(diǎn)的作用。

2 MXenes作為催化劑載體

MXenes不僅可以通過(guò)其Mn+1Xn骨架和表面終止基團(tuán)直接提供活性位點(diǎn)，還可以通過(guò)負(fù)載過(guò)渡金屬形成更具有活性的復(fù)合催化劑。采用MXenes作為催化劑載體的優(yōu)點(diǎn)包括可調(diào)的表面性能，優(yōu)異的穩(wěn)定性，這些性質(zhì)可以為過(guò)渡金屬提供錨定位點(diǎn)，提高過(guò)渡金屬的抗燒結(jié)能力。根據(jù)過(guò)渡金屬不同的尺寸，MXenes載體上可以形成納米顆粒、納米團(tuán)簇或單個(gè)原子。我們?nèi)婵偨Y(jié)了MXenes負(fù)載催化劑催化的反應(yīng)，并解釋了MXenes作為載體的獨(dú)特優(yōu)勢(shì)（圖4）。

圖4.?MXenes作為載體在熱催化中的應(yīng)用

金屬與載體之間的相互作用是復(fù)合催化劑穩(wěn)定使用的前提。目前，MXenes負(fù)載的催化劑有三種相互作用：（i）靜電相互作用， （ii）金屬間相互作用，和（iii）配位相互作用。由于這三種相互作用，過(guò)渡金屬與MXenes之間的催化協(xié)同效應(yīng)得以實(shí)現(xiàn)，MXenes負(fù)載催化劑的穩(wěn)定性大大提高。因此，我們總結(jié)過(guò)渡金屬與MXenes之間的主要相互作用，進(jìn)一步解釋了相互作用對(duì)催化劑性能和催化性能的影響（圖5）。

圖5. MXenes與金屬粒子的相互作用

總結(jié)

綜上所述，因?yàn)镸Xenes具有穩(wěn)定Mn+1Xn骨架、可調(diào)表面終止基團(tuán)、類(lèi)貴金屬催化活性和較高的熱穩(wěn)定性，而逐漸引起了熱催化領(lǐng)域研究人員的興趣。其中Ti3C2Tx、Mo2CTx和V2CTx可以作為催化劑直接參與加氫、脫氫、CO氧化等熱反應(yīng)。此外，MXenes還可以作為催化載體，支撐納米顆粒、納米簇、單原子等各種形式的金屬粒子，進(jìn)一步提高催化劑的活性。但是在MXenes實(shí)際應(yīng)用中仍面臨一些問(wèn)題，包括長(zhǎng)期放置的穩(wěn)定性問(wèn)題、MXenes合成過(guò)程的成本和安全性問(wèn)題，更重要的是，如何開(kāi)發(fā)更高效的MXenes催化劑有待進(jìn)一步研究。

文獻(xiàn)鏈接

DOI：10.1039/d2ta03481f

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