东北大学伊廷锋团队《CEJ》:追求高性能的光催化剂和电催化剂：水分解用MXenes基纳米复合物的构建与设计

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目前，东北大学伊廷锋教授团队全面介绍了关于二维过渡金属碳化物/氮化物/碳氮化物(MXenes)在光催化和电催化分解水中的应用。这篇综述首先对MXenes的合成，技术挑战以及催化性能的改善进行了最新总结。然后对MXenes基于的催化剂的光催化和电催化分解水机制进行了深度讨论。最后，对未来的研究方向和MXenes基于的催化剂的进一步发展进行了展望，以加速其在电催化剂和光催化剂领域的广泛应用。该综述可以为构建和优化高性能MXenes基于的电催化剂和光催化剂提供重要的理解。相关成果以标题为“Towards high-performance electrocatalysts and photocatalysts: Design and construction of MXenes-based nanocomposites for water splitting”发表在Chemical Engineering Journal。东北大学材料科学与工程学院博士研究生常慧为论文第一作者。通讯作者：伊廷锋教授。

2011年，Gogotsi等人第一次报道Ti₃C₂就受到了人们的广泛关注。MXenes通常是通过从MAX相中选择性地蚀刻A层来制备的。通常可表示为Mn+1XnTX， A表示IIIA或者IVA元素， M为过渡金属元素，X代表C和/或N，T_X表示表面终端（-F， -O，或-OH），N是1，2或3。MXenes由于其优异的性能，已应用于许多领域。例如，由于其优越的电子性能，MXene已广泛研究于电化学储能，如电池和赝电容器。此外，由于其优异的导电性，MXene已应用于电磁干扰屏蔽。除了储能，MXene还广泛应用于传感器，净水膜和光热转换。此外，MXene最近作为光催化剂或电催化剂在可再生能源领域的发展方面受到了相当大的关注。

到目前为止，对MXene类材料的综述主要集中在储能、传感器和催化等方面。近年来，可以查询到光催化和电催化方面的综述，但是针对MXene在光（电）催化分解水方面的综述文章没有介绍。本文综述了近年来在合成工艺方面的研究进展，对MXenes的催化性能提高提出了挑战，如图1所示。我们全面报道和深入讨论了MXenes在光催化和电催化分解水方面的性能。此外，我们第一时间系统总结了MXenes在光催化和电催化水分解方面的催化机理。最后对MXene基材料未来的研究方向和进一步的发展进行了展望，加速其在电催化和光催化领域的广泛应用。这篇综述可以为构建和优化高性能的MXene基催化材料提供重要的理解。

  

图1  MXenes基催化剂在光催化和电催化分解水的概要图。

图2 (a) CdLa₂S₄/Ti₃C₂纳米复合材料的合成工艺。(b) ZnS/Ti₃C₂的合成示意图。(c) TiO₂C@CN_x纳米片电催化剂的合成示意图。(d) TiO₂/Ti₃C₂纳米复合材料形成示意图。

图3 (a) Ti₃C₂T_X/TiO₂光催化析氢的可能机理。(b) TEM图像(c) CLST1.0的HRTEM图像。(d-g) MoS₂-Ti₃C₂ (T30)异质结构的HRTEM图像，(h) Ti₃C₂，(i) TiO₂和(j) TiO₂/Ti₃C₂的SEM图像，(k-m) CdS，(n-p)剥离Ti₃C₂ MXene纳米片 (q-s) CdS/Ti₃C₂复合材料的TEM图像，(t)1D CdS/2D MXene异质结的产氢机理。

图4 (a-c) g-C₃N₄和(d-f) Ti₃C₂/g-C₃N₄的TEM和HRTEM图像，(g)二维MX/HCN肖特基结的合成过程。

图5 (a) Ti₃C₂/TiO₂纳米花的SEM图像，(b) Mo_xS@TiO₂@Ti₃C₂-160 °C的SEM图像；(c) Mo_xS@TiO₂@Ti₃C₂和Mo₂S@TiO₂@Ti₃C₂复合物的合成工艺示意图，制备的HC-TiO₂的(d) SEM和(e) TEM图像。

图6 (a) 退火的Ti₂CT_X纳米片和碱化的Ti₂CT_X纳米片的极化曲线及 (b) Nyquist图。(c) Mo₂CT_X和Ti₂CT_X的 LSV图谱，(d) HER活性和稳定性。(e, f) Ti₃C₂ NFs的SEM图像和(g) TEM图像，(h) Ti₃C₂ NFs，Ti₃C₂薄片和Pt/C电极的LSV和Tafel斜率。

作者简介

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伊廷锋教授，现为东北大学研究生院秦皇岛分院党委书记兼院长、学科处处长。先后入选安徽省技术领军人才、江苏省双创人才、河北省333人才工程第二层次人选、World’s Top 2% Scientists 2020榜单、2019年度Clarivate Analytics材料科学领域和交叉领域 “Top 1%审稿人”，2019年获河北省青年科技奖。担任《物理化学学报》编委。主持国家自然科学基金项目4项，省部级项目6项，以第一/通讯作者身份在Coordination Chemistry Reviews、Nano Energy、Nano Today、Energy Storage Materials等国际期刊发表SCI论文160余篇，H因子为37，他引6000余次，ESI高引论文19篇，热点论文2篇。

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https://doi.org/10.1016/j.cej.2021.129944

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