新型2D MXenes 纳米材料在光催化领域的应用

赵文军; 秦疆洲; 尹志凡; 胡霞; 刘宝军

doi:10.7536/PC190321

化学进展 ›› 2019, Vol. 31 ›› Issue (12) :1729-1736 DOI: 10.7536/PC190321

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新型2D MXenes 纳米材料在光催化领域的应用

赵文军 ¹^,^† ,
秦疆洲 ¹^,^† ,
尹志凡 ² ,
胡霞 ¹^,^** ,
刘宝军 ¹^,³^,^**

作者信息 +

2D MXenes for Photocatalysis^*

Wenjun Zhao ¹ ,
Jiangzhou Qin ¹ ,
Zhifan Yin ² ,
Xia Hu ¹^,^** ,
Baojun Liu ¹^,³^,^**

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摘要

MXenes是一类新型的二维(2D)过渡金属碳化物、氮化物或碳氮化物的总称,在物理、化学、材料科学和纳米技术领域产生了巨大的影响。MXenes材料在制备过程中,表面会生成羟基、氟等基团,表面具有亲水性和良好的可见光响应,加上其自身具有比表面积大、活性位点丰富等优点,使其成为一种新兴的光催化材料。本文主要对MXenes及其复合材料在光催化领域的最新研究进展进行总结,简要介绍了MXenes材料的合成方法及理化性质,着重介绍了MXenes及其复合材料作为光催化剂的复合方式,光催化机理等方面的内容,并逐一列举其在光催化氧化与还原反应中的重要作用,最后对MXenes及其复合物的进一步研究提出建议和展望。

Abstract

MXene, the latest 2D transition metal carbides/carbonitrides/nitrides, has exerted a great influence in the fields of physics, chemistry, material science and nanotechnology. It is an important and increasingly popular category for photocatalysis because of the advantages including hydrophilia, visible-light response, high specific surface area and abundant active sites with —OH or —F terminal during preparation. This review provides an overview of the latest progress of MXenes and its composites in the field of photocatalysis research. Firstly, we give a brief introduction of the synthesis, structure and fundamental properties, methodologies of MXenes and emphasize its composites and the corresponding photocatalysis mechanisms. Then we list the important roles in photocatalytic oxidation and reduction it plays, and forecast the development and potential applications of MXenes.

Graphical abstract

关键词

MXenes / 二维材料 / 复合材料 / 光催化机理

Key words

MXenes / 2D materials / Composites / Photocatalytic mechanism

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赵文军, 秦疆洲, 尹志凡, 胡霞, 刘宝军. 新型2D MXenes 纳米材料在光催化领域的应用[J]. 化学进展, 2019, 31(12): 1729-1736 DOI:10.7536/PC190321

Wenjun Zhao, Jiangzhou Qin, Zhifan Yin, Xia Hu, Baojun Liu. 2D MXenes for Photocatalysis^*[J]. Progress in Chemistry, 2019, 31(12): 1729-1736 DOI:10.7536/PC190321

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1 Introduction

2 Synthesis of MXenes

3 Property of MXenes

3.1 Structure of MXenes

3.2 Optical properties

3.3 Electronic properties

4 Mxenes for photocatalysis

4.1vMxenes for photocatalytic degradation

4.2 Mxenes for removing heavy metals

4.3 MXenes as photocatalysts for hydrogen evolution reaction(HER)

4.4 MXenes as photocatalysts for CO₂ reduction

4.5 MXenes for photoelectrocatalytic

5 Conclusion and perspective

1 引言

能源危机是人类社会面临的重大问题,太阳能、风能、地热能等可再生资源发挥越来越重要的作用。在太阳能的应用中,光催化因其在可再生能源技术发展、环境保护和修复方面的巨大潜力而备受关注^[1],它可以通过太阳光辅助反应转化为化学能。目前,光催化技术在精细化工生产、建筑建材、污水处理、环境保护等领域中得到了不同程度的应用。光催化反应的基本步骤包括:1) 光催化剂吸收光之后光生载流子的激发;2) 光生载流子分离和扩散至光催化剂表面;3) 催化剂表面发生氧化还原反应。因此,高效的光催化剂需要合适的带隙来收集光能,良好的光生载流子的分离和迁移性,以及合适的价带(VB)和导带(CB)边缘电位,以便在热力学上达到氧化还原反应的能力。目前,为了提高光催化剂的效率,研究者们对光催化剂进行了一系列的改进方法,如贵金属掺杂、多组分或多相组成的异质结^[2]、形貌调控等。虽然这些方法都提高了光催化效率,但是成本较高,不适合大量应用,因此发展一种廉价的,同时满足上述苛刻条件的催化剂或共催化剂对光催化技术的应用具有重要意义。

超薄二维纳米材料(Ultrathin Two-Dimensional Nanomaterials, 2D) MXenes属于一类新兴的纳米材料,其形式上可以分为两类,一类结构公式为M_n₊₁X_n,另一类为M_n₊₁X_nT_x,其中M为过渡金属(如 Sc、Ti、V、Cr、Zr、Hf、Nb、Mo、Ta和 W)、X 则代表C或N,T_x是终端官能团(如,—OH、—O 或—F)、而n通常是1到3的整数。这种独特的结构是由原始的块状MAX相(M_n₊₁AX_n),经过选择性地侵蚀反应最活跃的组分A(ⅢA或ⅣA元素)而得到的。MXenes被侵蚀后具有片状结构,其横向尺寸>100 nm,或高达几微米甚至更大,但厚度仅为单原子或少原子厚度(通常<5 nm)^[3,4,5]。通过将体积材料的厚度减小至原子厚度,使配位数、键长、键角、原子无序度等局部原子排列发生变化,其性质也会产生巨大的变化^[6]。目前,在光催化领域,二维纳米材料MXenes已经受到了广泛关注。从本质上来看,决定光催化效率高低的三个关键因素是光的吸收、电荷分离和界面催化反应。因此,我们需要一类具有较强的光吸收能力、高电荷分离效率和快速界面氧化还原速率的材料来实现高的光催化效率,而超薄的二维MXenes纳米材料则恰好能匹配以上所需的特性^[7]。总的来说,MXenes具有以下优点:(1) MXenes由于在费米能级附近具有相当大的电子密度,因而具有金属性^[8]与其他半导体耦合时可以产生肖特基结现象,在半导体表面层内形成空间电荷区,引起半导体的能带发生弯曲,形成一个高势能区,有效地捕获光诱导电子,促进光生载流子分离;(2) 催化反应通常发生在具有低配位数的原子上,如边角或边缘原子,通常被认为是表面活性位点^[9]。而像这种超薄二维结构会导致暴露更多的内部原子,较易导致各种缺陷的形成,这些缺陷可能提供更多的表面活性位点。此外,由于原子倾向于逃逸,而在该结构中形成的表面缺陷,反而会驱使周围的原子更倾向于活跃的位置;(3) MXenes具有各向异性,实验表明载流子在x方向的迁移率可达7.41×10⁴ cm²·V^-1·s^-1,是沿y方向迁移率的3倍,此外,MXenes双层和纳米带中空穴和电子的迁移率存在巨大差异,可以用于空穴和电子的分离进行光催化^[10];(4)MXenes表面功能化(或官能团)可以增加MXenes对可见光范围的吸收,同时亲水官能团促进其与水分子的相互作用,更好地参与液相反应。^[3,11]

根据ISI Web of Science的统计数据,从2011年Gogotsi等^[12]首次制备出Ti₃C₂以来,关于MXenes的论文数量呈指数级增长。 MXenes的研究还处于起步阶段,大部分集中于理论分析、储能、电化学电容电极等研究,并在电化学器件方面取得了突破性进展,被认为是继石墨烯以来,最有前景的2D纳米材料之一,但其在光催化中的应用却没有引起大家的足够重视。MXenes在光催化方面应用的关键问题是如何促进光生载流子的迁移和利用,以及提高可见光的利用率。因此,本文从光催化的角度对MXenes进行阐述,特别是对MXenes材料在二维材料领域的独特特性、合成策略的比较以及光催化的研究进展进行分析。本文概述了MXenes的制备方法,讨论了MXenes在光催化中起到的作用,最后分析了MXenes作为光催化领域新兴材料的未来和挑战,期望此文对材料科学、化学、工程等相关学科的学者提供参考和启示。

2 二维MXenes的制备

目前,制备2D MXenes的主流方法是氟化氢(HF)或者氟化盐侵蚀以及化学气相沉积(CVD)。

(1)氟化氢侵蚀

氟化氢侵蚀法^[3,13-16~18]的步骤是先将MAX相的Ti₃AlC₂粉末在室温(或一定温度)下浸泡在一定浓度的HF溶液中,然后用去离子水洗涤几次,离心析出粉体。由于Ti-Al键比Ti-C键更容易断开,所以氟化氢能对层状前驱体(MAX相)的Al原子层进行选择性刻蚀,其主要反应方程如下:

(1)Ti₃AlC₂ + 3HF → AlF₃ + 1.5H₂ + Ti₃C₂

(2)Ti₃C₂ + 2H₂O → Ti₃C₂(OH)₂ + H₂

(3)Ti₃C₂ + 2HF → Ti₃C₂F₂ + H₂

该反应中反应式(1)生成Ti₃C₂剥离层,而反应式(2)和反应式(3)则是被简化的方程,因其反应过程中假设MXenes表面终端分别出现—OH或—F终端,但实际上它们很可能是两者的组合。由于刻蚀是一个动力学控制的过程,所以每种MXenes需要不同的蚀刻时间来实现完全的剥离。通常M_n₊₁C_nT_x式中n较大的MXenes需要更强的蚀刻力或更长的侵蚀时间。例如,在相同的刻蚀条件下,Mo₂Ti₂AlC₃(n=3)需要的刻蚀时间是n=2对应物(即Mo₂TiAlC₂)的两倍,表1列出了部分MXenes的侵蚀条件。由于MXenes合成中需要高浓度的HF,从而限制了这些材料的应用。因此,有必要开发一种安全、快速的剥离工艺。Gogotsi等^[17]采用盐酸(HCl)和氟化锂盐(LiF)从Ti₃AlC₂中刻蚀Al,这种一步同时刻蚀和插层的方法,可以获得高产量的MXenes,该实验表明质子和氟离子的存在是刻蚀MAX相形成层状MXenes的必要条件。在金属卤化物存在下刻蚀会导致阳离子(例如Li⁺)和水的插入,从而导致层间距增大,削弱了MXenes层之间的相互作用。

(2)化学气相沉积

化学气相沉积法也是合成MXenes的主要方法之一。Xue等^[21]利用CVD法制备出了斜方晶系的超薄二维α-Mo₂C,其横向尺寸约100 nm。与此同时,他们采用了相同的方法,将W、Ta等过渡金属制成超薄WC和TaC晶体,该方法得到的MXenes具有较大的横向尺寸和较少的晶格缺陷,有利于研究其内在特性,目前利用该方法合成单层MXenes的研究较少,有待进一步研究。

3 MXenes的理化性能

3.1 MXenes的结构特征

MXenes源于三元氮化物和碳化物,公式为M_n₊₁AX_n(n=1~3),即MAX相^[13]。MAX相中,“M”是过渡金属元素,“A”主要是指13、14族元素,X通常是C或N,是MAX阶段的基团之一;现已合成了19种MXenes,且通过理论模拟已经预测出了数十种潜在的MXenes^{[3, 12, 22, 23]}。

MAX相有三种六边形紧密结构单元(空间组P63/mmc)(如图1),A层将独立的单层晶体隔离,八面体中心位置被X原子占据,M-X键异常强,同时兼备共价键、金属键和离子键特性。但独立的A层结合较弱,反应活性较强。因此,我们可以通过侵蚀A层中的原子得到MXenes,从而实现整体晶型为六角形紧密结构。在M₂X结构中,M原子遵循ABABAB顺序(六边形密堆积),而当M原子的排列顺序从M₂X改变为M₃X₂和M₄X₃时, M原子遵循ABCABC顺序(面心立方堆积)。这种原子排序对于以六方紧密结构为基础的过渡金属(如钼和铬碳化物)MXenes合成显得非常重要。例如,Mo₂CT_x是稳定的,而Mo₃C₂T_x和Mo₄C₃T_x(其中M以ABCABC排序堆积)是不稳定的,因此后两者需要通过在结构中插入另一个M元素(例如Ti)来稳定,形成有序的双过渡金属Mo₂TiC₂T_x和Mo₂Ti₂C₃T_x。

3.2 MXene光学特征

一般来说MXenes具有金属性质^[8],通过理论计算表明,大部分MXenes禁带宽度很小,吸收边缘趋于零^{[24, 25]},然而,当C的p轨道与Ti的dz²杂化后,对禁带间介电响应有显著影响,进而影响了Ti₃C₂的光学性能。价电子能谱分析表明,禁带电子跃迁对MXenes表面的T_x基团非常敏感,可以引起可见光谱中40%的光学导电性能的变化^[26]。在这方面,表面功能化(或官能团)增加了MXenes对可见光范围的吸收,由第一原理密度泛函理论计算可知,与原始Ti₃C₂相比,氟化和羟基化Ti₃C₂T₂均增强了其对紫外光(UV)的吸收率^[27],与此同时,其费米能级也发生了变化。Yu等^[28]通过理论计算表明,纯Ti₃C₂和具有—F或—O终端的费米能级分别为-0.45、0.18、0.71 V(vs NHE, pH=7),并发现Ti₃C₂T₂可以吸收波长在300 ~ 500 nm范围的可见光,有趣的是,MXenes的光学性能还可以通过与金属硫化物、TiO₂等组分结合来调节,例如纯Zr₂CO₂在300 ~ 500 nm范围内表现出良好的光学吸收性能^[34],通过范德华力将Zr₂CO₂和蓝磷耦合后,在双轴压缩应变下,Zr₂CO₂的带隙发生显著变化,导致光学吸收向可见光区发生红移,总的来说,MXenes的光学性质有利于提高光的捕获率。但是,由于其本身性质,导致其禁带宽度很小,纯MXenes的光子吸收较差,载流子复合速率较高。因此,MXenes可以作为一种高效的助催化剂,在光催化反应中与其他半导体耦合形成肖特基结现象或者异质结,有效地促进光生载流子的分离,提高光生电荷的利用率。

3.3 MXenes电子特征

此外,MXenes不仅具有良好的光学性能,同时还兼具独特的电子特性,这主要是因为在费米能级附近有相当大的电子密度,这种金属行为不仅可以通过Ti-X键来调节,还可以通过其表面终端的种类进行改变。例如,在常温条件下具有键类—O终端的单层Ti₂CO₂,其电子延x和y方向的迁移率分别为611和254 cm^-2·V ^-1·s^-1,然而,空穴的迁移率延x和y方向分别为74 100 和 22 500 cm^-2·V^-1·s^-1,远远大于电子的迁移率^[10]。不仅如此,MXenes材料在其边界处,同样具有很强的各向异性,Du等^[30]发现,Sc₂CT₂(T=F, OH)延zigzag方向和armchair方向的迁移率分别为5.03 × 10³和1.07 × 10³ cm^-2·V^-1·s^-1,几乎是磷烯的四倍。这种独特的电子迁移的各向异性为光催化中光生载流子的分离提供了保障。

4 MXenes在光催化领域的应用

MXenes作为新兴的二维催化材料,其在光催化中的应用较少,近年来,大部分研究都集中于通过利用MXenes表面终端基团(如—F、—O、—OH基团)或者作为共催化剂来满足光催化应用的要求。

4.1 MXenes材料在光催化降解领域的应用

Gogotsi等^[31]首次观察到Ti₃C₂T_x在紫外照射下可以降解亚甲基蓝(methylene blue)和酸性蓝80(acid blue 80),5 h的降解效率分别达到81%和62%,其中,Ti₃C₂T_x对阳离子染料亚甲基蓝具有更强的吸附效果,其吸附模型接近Freundlich模型,这主要是由于正电荷的MB分子和带负电荷的MXenes表面之间有良好的静电相互作用。与此同时,Ti₃C₂T_x表面形成了氢氧化钛终端,提升了光催化效果。为了进一步提高降解效率及可见光的利用率,Yu等^[32]通过界面设计,合成了一种由Ti³⁺掺杂高暴露活性的(111)面金红石TiO₂和二维Ti₃C₂片组成的纳米复合材料,实验结果表明,利用水合肼在20 h水热反应生成的(111) TiO_2-_x/Ti₃C₂复合材料,通过其具有较高活性的暴露位面(111)面和Ti³⁺掺杂,在可见光照射150 min后,该复合材料对亚甲基蓝的降解率达75%,同时,光催化机理分析发现电子在TiO₂表面聚集发生还原反应,空穴迁移至Ti₃C₂表面发生氧化反应。

4.2 MXenes材料在光催化重金属去除中的应用

重金属是工业废水中常见的污染物之一,由于其形成的化合物易溶于水,很难从水体中分离。Peng等^[33]发现用碱化插层处理的Ti₃C₂T_x的Ti-OH终端对重金属Pb具有独特的吸附行为,该现象引起了极大的关注。Peng等^[34]通过进一步研究发现,Ti₃C₂T_x对重金属Cr(Ⅵ)同样具有良好的吸附性(图2),利用10% HF处理的Ti₃C₂T_x对Cr(Ⅵ)最大吸附达到250 mg·g^-1,同时在吸附过程中还具有较强的还原性,可以将Cr(Ⅵ)还原到低毒性的Cr(Ⅲ)。为了进一步提高对重金属的去除率,Xu等^[35]通过简单的自聚水凝胶法,将Ti₃C₂T_x与石墨烯(GO)混合后,发现Ti₃C₂T_x可以将GO还原成氧化石墨烯(RGO),从而导致3D氧化石墨烯框架的各向异性组合,形成一种以Ti₃C₂T_x基的多孔网状结构,在可见光照射下,可以实现三电子还原Cr(Ⅵ),照射10 min后,Cr(Ⅵ)去除率高达99.3%,该实验还发现这种新型水凝胶在回收后仍然保持完整的结构,具有可重复利用性,为高效去除水体重金属的研究提供了参考。

4.3 MXenes材料在光催化析氢领域的应用

光催化分解水生成氢气被认为是解决全球能源问题最有前景的方法之一,是一种清洁、低成本和可持续的产H₂方法,已显示出了巨大的潜力。然而,尽管在过去的几十年里,该领域取得了巨大的成就,但开发低成本、高活性、地球元素丰富、耐用的光催化剂仍然是一个巨大的挑战,因此,MXenes可能是该领域最有前途的材料之一。

Du等^[36]通过对10个单金属碳化物和7个双金属碳化物的DFT理论计算研究表明,二维MXenes在实验中通常存在—O和—OH终端,这些终端表现出优异的性能,在标准条件下,Pourbaix图清晰地表明具有—O或—OH终端的MXenes材料是最稳定的,上下两层的表面氧原子可以作为HER的催化活性位点,—OH终端可以促进半导体与MXenes之间的相互作用,使MXenes成为辅助催化剂。此外,他们还建立了氢吸附的自由能绝对值|ΔG_H|与电子表面O原子增益数(N_e)之间的火山图(图3a),描述了HER性能与O终端MXenes之间的关系,越接近峰值,说明该催化剂越利于析氢反应。然而,单组分MXenes光催化剂具有光生电子空穴对的快速重组、光吸收范围窄、光催化活性较低等缺点,而Ran等^[8]利用2.5 wt% Ti₃C₂T_x作为CdS的辅助催化剂解决了上述问题(图3b),其在可见光条件下,光催化水裂解析氢反应(HER)比纯CdS提高了136倍,高达14 342 mmol·h ^-1·g^-1,分析表明:二维Ti₃C₂T_x不仅为CdS纳米颗粒提供均匀的生长平台,还可以通过在材料结合表面形成肖特基势垒,起到了电子阱的作用,促进了光生电荷载体的分离。

4.4 MXenes材料在光催化CO₂还原领域的应用

由于工业和人口的快速增长,煤炭、石油、天然气等化石燃料消耗巨大,造成严重的能源危机和环境问题,为了解决这一问题,Halmann等^[37]首次通过光电催化将CO₂转化为HCOOH,开启了光催化CO₂还原的新篇章,由于CO₂活化困难,大多需要具有强还原性的活性位点,多数研究都放在材料的表面缺陷的构建或贵金属的使用,因此,需要寻找一种价格低廉,同时具有高CO₂吸附活性和表面缺陷的新型材料。Sun等^[38]通过DFT理论计算发现,在相同条件下Ti₃C₂对CO₂的吸附能力大于H₂O和N₂,由此可知,Ti₃C₂对CO₂还原可能具有潜在的价值,同时,在侵蚀过程中产生的表面缺陷也是CO₂的活性位点(图4a,b)^[39]。Low等^[40]通过简单煅烧法,在Ti₃C₂上原位生长TiO₂形成TiO₂/Ti₃C₂异质结,并适当调控合成温度,研究结果表明,在550 ℃煅烧后,优化的TiO₂/Ti₃C₂复合材料其光催化CH₄产率是纯TiO₂的3.7倍,进一步研究发现,TiO₂/Ti₃C₂复合材料具有独特的稻壳状多层结构(图4c,d),形成较大的比表面积,为光催化反应提供了大量的表面活性位点,同时,Ti₃C₂可以作为Mott-Schottky的特性可以大大抑制TiO₂上的电子空穴重组,积累电子形成多电子还原反应,减少产生中间产物。常规MXenes都以2D超薄纳米片的形式存在,而在最新的研究中,Zeng等^[41]打破了常规的形式,利用透析袋将层状Ti₃C₂进行破碎,形成尺寸更小的量子点负载在Cu₂O纳米棒(Cu₂O NWs)上,CO₂还原实验表明该新型纳米复合材料甲醇产率高达25.77 ppm·cm^-2·h^-1,总产量是层状Ti₃C₂负载Cu₂O纳米棒上的2.15倍,同时理论计算表明,Ti₃C₂量子点的费米能级由层状的0.71 V改变到-0.523 V,降低了费米能级从而导致光生电子从Cu₂O迁移到Ti₃C₂量子点上进行富集,实现了多电子CO₂还原反应,减少了中间产物的产生,提高了光生载流子的利用率,该实验为MXenes光催化应用范围增加了一个新的维度。

4.5 MXenes材料在光电催化领域中的应用

光电催化作为光催化的衍生,通过外加电流实现光生载流子的定向迁移,提高光生载流子的利用率。由于MXenes材料具有优良的导电性,也可以用于光电催化反应。Yu等^[42]采用原位生长法制备出长在导电玻璃上的TiO₂/Ti₃C₂异质结构,析氢实验表明应用偏置光电流效率达到1.47%,是纯TiO₂的6倍,进一步通过电子自旋共振、电阻抗光谱和Mott-Schottky测量表明Ti₃C₂在反应中作为助催化剂,可以加强与金属氧化物之间的强界面作用,提高光电化学性能。此外,Xu等^[43]利用简单的加热法制备出具有Ti³⁺和pyri-N富集的Ti₃C₂/g-C₃N₄异质结用于光电催化还原CO₂,实验结果表明,大量的Ti³⁺可以提高光生电子和空穴的分离,而pyri-N可以提高材料表面对CO₂的吸附,进一步掺杂金属Pt修饰后,形成的Pt-Ti₃C₂/g-C₃N₄‖BiVO₄电解池中,碳氢化合物产率为50.2 μM·cm^-2·h^-1,量子效率约1.3%。

5 总结与展望

在此讲述了MXenes及其复合物在光催化领域的研究进展,可以发现,MXenes是一种新兴的光催化材料,相比于传统催化剂,其具有以下优点:1) 良好的金属性;2) 独特的载流子各向异性迁移率;3) 可调谐的带隙结构;4) 良好的亲水性和稳定性;5) 大量的表面活性位点。在实际应用中,MXenes凭借其独特的特性和性能,在光催化染料降解、析氢反应及CO₂还原等领域中表现出优异的性能。特别是基于MXenes的复合材料可以通过复合界面产生的协同效应进一步提高性能。尽管二维MXene材料已经取得了很大的进展,但是相对于石墨烯、TMDs等其他二维催化剂,MXenes在催化方面的研究还远远滞后。因此,MXenes及其复合物可以从以下几个方面深入研究:

(1) MXenes最大的优点之一是种类和组成丰富,以及不同原子的比例和排列,这些优点为原子层面上的设计提供了很大的机会。虽然已经设计并通过理论计算了多种MXenes材料,但这些材料还需要进行实验合成和实际应用测试。

(2) 虽然目前的研究主要集中在从原MAX材料制备MXenes,但是对原MAX相的改性,如A的取代,可能预示着新一代MXenes的诞生。初步表明^[45],Ti₃SiC₂的Si原子层可以被贵金属取代,通过在特定晶面上的有序交换,生成Ti₃AuC₂、Ti₃Au₂C₂、Ti₃IrC₂,这可以看作是一种制备贵金属基MXenes的新途径。

(3) 基于MXenes在结构和性质上的优势,混合体系及其合成方法有待进一步发展。例如,多层MXenes中的层空间可以通过功能分子和低维纳米材料来实现,通过协同作用进一步影响其光化学活性;对于超薄或单层的MXenes,其改性过程可以从石墨烯的混合体系的研究中获得。例如平面到平面的异质结构或范德华异质结构,如石墨烯MXenes、层状金属氧化物/硫化物MXenes等类似的体系。此外,开发具有高活性基底的二维平面材料与低维材料混合构建异质结构(如0D 2D和1D 2D),甚至混合三维结构,将会是高性能催化剂的一个有趣的研究方向。

(4) 此外,二维材料表面丰富的基团不仅可以被功能分子修饰或被其他基团(Br、Cl、I或疏水基团)取代,从而修饰其固有性质,还可以成为其他纳米结构材料直接生长的附着位点,未来这一领域的研究将有助于对MXenes独特的表面环境进行深入了解。

(5) 由于MXenes表面存在功能基团,导致其催化机制相当复杂,需要进一步深入研究,有必要阐明催化活性位点的关键作用和催化过程的机理。此外,作为一种辅助催化剂,需要考虑催化剂在表面的结构作用、催化过程在半导体表面的基本步骤以及半导体表面在催化过程中的支撑作用。

(6) 尽管MXenes具有优良的导电性,但是,目前关于光电催化中的相关工作文献较少,因此可以尝试一些关于光电催化方面的研究。

综上所述,关于MXenes的研究是一个新兴的领域,我们应该在二维纳米材料的框架下给予其更多的关注,从而使其在光催化或光电催化应用方面具有广阔的应用前景。

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Received	Published
2019-03-19	2019-12-15
Online Date
2019-08-01