J. Mater. Chem. A | 二维碳化物/氮化物材料（MXenes）在热催化中的应用最新综述

研究摘要

二维材料因其独特的平面结构而具有与传统块状材料不同的物理和化学性质。近年来越来越多的二维材料被广泛研究，例如，石墨烯、过渡金属二卤族化合物、六方氮化硼、二维金属有机骨架等。其中MXenes由于其可调的带隙、良好的电导率和优良的光电性能，而被广泛应用于能源存储和转换、传感器、电催化、电磁屏蔽和光催化等领域。近期，由于MXenes可调的表面终止基团、高的热稳定性以及类贵金属的催化性能，而使其在加氢、脱氢、水煤气和脱硫等热催化反应中受到广泛关注。基于此，清华大学资源与环境课题组系统的总结了MXenes直接作为催化剂和作为催化剂载体在热催化方面起到的作用。重点强调了MXenes表面终止基团活性位点的性质，分析了MXenes与金属粒子复合时二者的相互作用。

图文导读

1 MXenes作为催化剂直接参与反应

MXenes是热催化领域的一种新兴材料。由于其高的热稳定性和独特的结构使其相比于传统催化剂有一定的优势。在众多的MXenes中，因为Ti₃(C/N)₂T_x、Mo₂CT_x和V₂CT_x的制备工艺相对成熟，结构更易修饰而被深入研究。我们总结了上述MXenes 材料可以催化的反应类型，并将上述MXenes材料与传统催化剂进行比较（图1）。

图1. 常用的MXenes催化剂及其在热催化中的应用

1.1 MXenes表面终止基团的作用

MXenes的许多重要性质如亲水性、电导率、和稳定性可以通过控制表面终止基T_x的数量和种类来调节。同样，改变T_x基团也可以影响MXenes在热催化反应中的活性和选择性。这归因于T_x基团对相邻过渡金属原子和表面性质的影响。因此，我们总结了改变表面终止基团类型和覆盖范围的方法，并进一步从三个方面总结了T_x的作用：（i）影响过渡金属的暴露，（ii）影响相邻过渡金属原子的氧化态，（iii）改变酸碱性质（图2）。

图2. 表面终止基团的影响。

1.2 MXenes活性位点的性质

活性位点通常是暴露的过渡金属或金属和MXenes表面终止基团共同形成的独特结构。与调整终止基团相比，调节活性位点是提高热催化效率更直接的方法，因为这些位点会促进反应物形成自由基粒子或降低反应的能势位垒（图3）。

图3. 活性位点的作用。

2 MXenes作为催化剂载体

MXenes不仅可以通过其M_n+1X_n骨架和表面终止基团直接提供活性位点，还可以通过负载过渡金属形成更具有活性的复合催化剂。采用MXenes作为催化剂载体的优点包括可调的表面性能，优异的稳定性，这些性质可以为过渡金属提供锚定位点，提高过渡金属的抗烧结能力。根据过渡金属不同的尺寸，MXenes载体上可以形成纳米颗粒、纳米团簇或单个原子。我们全面总结了MXenes负载催化剂催化的反应，并解释了MXenes作为载体的独特优势（图4）。

图4. MXenes作为载体在热催化中的应用

金属与载体之间的相互作用是复合催化剂稳定使用的前提。目前，MXenes负载的催化剂有三种相互作用：（i）静电相互作用， （ii）金属间相互作用，和（iii）配位相互作用。由于这三种相互作用，过渡金属与MXenes之间的催化协同效应得以实现，MXenes负载催化剂的稳定性大大提高。因此，我们总结过渡金属与MXenes之间的主要相互作用，进一步解释了相互作用对催化剂性能和催化性能的影响（图5）。

图5. MXenes与金属粒子的相互作用

总结

综上所述，因为MXenes具有稳定M_n+1X_n骨架、可调表面终止基团、类贵金属催化活性和较高的热稳定性，而逐渐引起了热催化领域研究人员的兴趣。其中Ti₃C₂T_x、Mo₂CT_x和V₂CT_x可以作为催化剂直接参与加氢、脱氢、CO氧化等热反应。此外，MXenes还可以作为催化载体，支撑纳米颗粒、纳米簇、单原子等各种形式的金属粒子，进一步提高催化剂的活性。但是在MXenes实际应用中仍面临一些问题，包括长期放置的稳定性问题、MXenes合成过程的成本和安全性问题，更重要的是，如何开发更高效的MXenes催化剂有待进一步研究。

文献链接

DOI：10.1039/d2ta03481f

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特别鸣谢本文作者的大力支持

研究团队简介

杨玉瑶，本文第一作者，博士研究生就读于清华大学能源与动力工程系。

周会，清华大学能源与动力工程系特别研究员、博士生导师，入选国家高层次人才计划、玛丽居里学者、2021年中国十大新锐科技人物。长期在MXenes、能源催化、生物质能、二氧化碳捕集与转化等领域进行研究工作，目前以第一作者或通讯作者在《Nature Catalysis》、《Nature Communications》等期刊发表SCI论文50余篇，在Springer-Nature出版英文专著一部。曾获国际空气与废弃物协会Arthur C. Stern杰出论文、MCAA Best Innovator Award。担任了美国化学会第256届年会生物质分论坛主席、国际碳捕集科学与技术大会共同主席、全国青年燃烧会议专题负责人等。2021年，联合创办了国际上第一本碳捕集期刊《Carbon Capture Science & Technology》(Elsevier)并担任副主编。

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