北航杨树斌Small Science：单原子负载型MXenes应用于能量转换和存储的研究进展
自“单原子”的概念提出以来，单原子材料迅速成为了研究领域的热点。单原子最大限度的提高了金属原子的利用率，具有工业应用前景。大量研究表明单分散的金属原子具有不饱和的配位环境和特殊的电子结构，呈现出不同于常规纳米颗粒的物理化学性质。但由于单原子表面自由能较大，在制备过程中容易迁移团聚，因而需要通过化学键将单原子稳定在基体材料上。二维过渡金属碳化物、氮化物或碳氮化物（MXenes）是一类新型二维材料，其丰富的表面官能团和空位缺陷提供了充足的单原子锚定位点，是负载单原子的理想基体材料。目前单原子负载型MXenes已经被广泛用于能源转换和存储领域，表现出优异的性能。
近期，北京航空航天大学杨树斌教授团队在Small Science上综述了近几年单原子负载型MXenes在能量转换和存储方面的研究进展（论文信息附后）。该工作首先概述了制备单原子负载型MXenes的主要策略，包括通过MXenes表面的阳离子缺位“捕获”单原子，利用配位基团在MXenes上稳定单原子，从MAX相中“继承”单原子。进一步从反应机理的角度介绍单原子负载型MXenes在能量转换中和能量存储中起到的关键作用。在能量转换方面，单原子负载型MXenes可以有效地调控催化反应中关键中间产物的吸附能，活化惰性气体分子以及降低催化反应决速步骤的能垒等。在能量存储方面，单原子负载型MXenes已经被用于锂金属电池、钠离子电池、锂硫电池和锌离子电池等，并展现出优异的应用前景。单原子MXenes不仅可以作为基体诱导Li的均匀成核，还可以作为催化剂加速锂硫电池中多硫的转换。此外，MXenes的终端原子位点还可以提供额外的赝电容。最后为了进一步推动这一新兴领域的发展，本文还讨论了制备高载量且均匀分布的单原子负载型MXenes所面临的挑战，并提出了单原子负载型MXenes未来发展的理想模型。这篇综述期望为具有高稳定性和高活性的单原子负载型MXenes的设计提供了新的思路和方法，从而实现能量的高效转换和存储。
图1. 未来发展SAS-MXenes的原子结构模型，a）单原子阵列负载型MXenes；b）双原子负载型MXenes
论文信息：
Single‐Atom Sites on MXenes for Energy Conversion and Storage
Yanglansen Cui, Zhenjiang Cao, Yongzheng Zhang, Hao Chen, Jianan Gu, Zhiguo Du, Yongzheng Shi, Bin Li, Shubin Yang*
Small Science
DOI: 10.1002/smsc.202100017
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期刊简介
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