Green Energy Environ.｜基于MXene材料的二氧化碳的捕集、传感和催化转化

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MXene，一类新型的二维材料，由于其具有独特的结构和性能，在能源、环保、生物医药等领域有着广泛的应用。目前，关于MXene在二氧化碳的捕集、传感和催化转化等领域的研究处于萌芽阶段。近日，廊坊师范学院陈钰博士（通讯作者）、卢艳红教授（通讯作者）与中国人民大学牟天成教授（通讯作者）等人合作在Green Energy & Environment发表了题为“CO₂ capture and conversion to value-added products promoted by MXene-based materials”的综述文章，对二氧化碳的捕集、传感和催化转化等进行全面总结，并对MXene材料在气体吸附和催化方面的应用进行了分析和展望。

本文为GEE期刊Volume 7, Issue 3封底论文，作品设计如下：

天空美丽云朵中的二氧化碳被二维MXene材料吸附后经过热催化、光催化（太阳）、电催化（闪电）等路径转化为高附加值产物。两只破浪前行的帆船代表廊坊师范学院和中国人民大学，旨在弘扬中国传统合作共赢和勇于探索的精神。两列中国传统书法字“力争二零三零年前碳排放达峰，二零六零年前实现碳中和”是习近平总书记在第七十五届联合国大会上对世界的庄严承诺，彰显了中国“大国责任、大国担当、大国风范”的魄力与自信。两队祥鸟翱翔象征早日达到碳达峰和碳中和的目标和建设绿色低碳中国的雄心。

背景介绍

二氧化碳的捕集、传感和转化是促进碳达峰、碳中和目标实现的重要方法，同时还能产出高附加值产物。开发二氧化碳的捕集、传感和转化的材料至关重要。MXene是一种新型的二维无机化合物材料，由几个原子层的金属碳化物、氮化物或碳氮化物等构成，且具有高电导性、高化学稳定性和大量活性位点。目前，关于MXene在二氧化碳的捕集、传感和催化转化领域的应用研究引起研究者们广泛关注。本文综述了近年来MXene在二氧化碳的捕集、传感和催化转化领域的重大进展，包括二氧化碳捕集、传感、热催化转化、电化学催化转化与光催化转化，并提出MXene促进二氧化碳利用的前景和挑战。

MXene与二氧化碳

二氧化碳捕集

MXene捕集二氧化碳的材料主要集中MXene、MXene型复合材料和缺陷型MXene材料。MXene材料吸收二氧化碳容量的次序为Ti₂CT_x > V₂CT_x > Zr₂CT_x > Nb₂CT_x > Mo₂CT_x > Hr₂CT_x > Ta₂CT_x > W₂CT_x。MXene型复合材料吸收二氧化碳局限在于只有MXene与聚合物的复合材料报道。对于缺陷型MXene材料，缺陷位点对二氧化碳有较强的相互作用，其缺陷有利于实现二氧化碳的高效吸收。因此，可以通过调控MXene本身的组成、复合材料的成分或MXene的缺陷数量以提高MXene在二氧化碳领域应用的效率。

二氧化碳传感

利用MXene材料对二氧化碳的传感的关键在于MXene材料的高电导率、MXene与二氧化碳之间较强的相互作用、以及MXene材料本身的结构特性。MXene材料的高电导率能够使二氧化碳的传感更加灵敏。MXene对二氧化碳的吸附量较大一般能够保证MXene与二氧化碳之间有较强的相互作用。利用MXene型复合材料的协同效应可以促进形成稳定的复合物并提高二氧化碳的传感效率。虽然相关的文献报道很少，但是MXene材料的高度可设计性使得MXene在二氧化碳传感领域有较好的应用前景。

二氧化碳转化

利用MXene材料实现二氧化碳转化包括二氧化碳的热催化转化、电催化转化和光催化转化。单原子金属/MXene复合材料能实现二氧化碳在1个大气压条件下的高效热催化转化。MXene材料电催化转化二氧化碳可以使用MXene材料和金属氧化物的复合材料。MXene材料与钙钛矿、氧化亚铜、二氧化钛、二氧化铈、碳三氮四、钨酸铋等的复合材料，在光催化二氧化碳转化中获得了较好的催化性能。除了二元组分光催化剂，三元组分MXene型光催化剂，如TiO₂/C₃N₄/MXene等，也是提高二氧化碳光催化转化的高效策略。

总结与展望

本文总结了MXene在二氧化碳的捕集、传感和转化等领域应用。目前MXene在合成或应用过程中要使用到大量的腐蚀性酸（如氟化氢）和挥发性有机化合物（VOCs），以后可以考虑使用更多的使用绿色溶剂（如离子液体、低共熔溶剂）替代。同时，MXene的几个原子层厚度、孔径、表面积、形貌也可能在二氧化碳利用的过程中也可能会发生改变，因此要避免高温和高压条件以防止MXene的不稳定性和高耗能。MXene的价格目前还比较贵，因此，其大规模应用的另一重要前提在于开发低成本MXene合成策略。目前MXene在二氧化碳的捕集、传感和转化等领域的工作不是很多，相关研究处于起步阶段，本综述有助于促进该领域的发展。

文章信息

本文以“CO₂ capture and conversion to value-added products promoted by MXene-based materials”为题发表在Green Energy & Environment期刊，通讯作者为廊坊师范学院陈钰博士、卢艳红教授与中国人民大学牟天成教授。

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https://doi.org/10.1016/j.gee.2020.11.008

通讯作者简介

陈钰

陈钰，廊坊师范学院化学与材料科学学院，2013年硕士毕业于中国人民大学化学系，2018年博士毕业于中国科学院化学研究所。研究方向：离子液体与低共熔溶剂，绿色化学与热力学，生物质与二氧化碳的转化利用。主持国家自然科学青年基金、河北省自然科学青年基金、河北省教育厅青年拔尖人才基金等项目十余项。撰写学术专著章节1部，申请国家发明专利10项。以第一作者或通讯作者在Green Chemistry、ACS Sustainable Chemistry & Engineering、Green Energy & Environment、Journal of Physical Chemistry B、Physical Chemistry Chemical Physics等期刊发表学术论文近40篇，其中入选ESI全球TOP1%高被引论文3篇，入选ESI全球TOP0.1%热点论文1篇。

卢艳红

卢艳红，廊坊师范学院教授，博士，硕士生导师，美国德雷塞尔大学Yury Gogotsi课题组访问学者，河北省 “三三三人才工程”三层次人才，河北省化学类青年学术英才。主要从事石墨烯、MXene等纳米材料的设计制备及其在能量储存与转化领域中的应用研究，在高性能电化学储能器件构筑、常压光照温和条件氨合成技术以及全碳非金属光解水制氢催化剂研制方面取得了较好的研究成果。近年来主持国家自然科学基金、河北省自然科学基金等项目10余项，在J. Am. Chem. Soc., ACS Nano和Carbon等高水平国际期刊累计发表SCI论文30余篇，引用900余次。Elsevier科技出版集团Carbon期刊2018年度优秀审稿人。

牟天成

牟天成，中国人民大学化学系教授。担任RSC Advances的Associate Editor，《化学教育》编委，《过程工程学报》编委。从事绿色化学与物理化学领域的研究和教学，发表论文160余篇，参与撰写专著章节6章/部，授权国家发明专利12项。2016年获中国分析测试协会科学技术奖一等奖，2019年获梁希林业科学技术奖自然科学奖二等奖，2020获中国人民大学“科研优秀奖”。

撰稿：原文作者

编辑：GEE编辑部

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