四川大学程冲研究员团队Small综述：MXenes电催化材料的原子微环境调控工程

二维（2D）过渡金属碳化物、氮化物和碳氮化物（MXenes）由于其丰富的表面官能团、类金属级的导电性、带隙可调、高热稳定性、原子结构可调控等特性，在过去的十年中，MXenes电催化材料已逐步发展成为电化学能量转换系统的新兴高效催化剂。然而，相关材料仍然面临较多挑战，表面催化原子团聚、高接触电阻、较差的氧环境稳定性和有限的活性位点等问题。因此，开发新型调控策略提升和调控MXene电催化材料的催化原子结构和电子特性对突破其在电催化能量转换系统中的实际应用至关重要。

近日，针对上述研究难点，四川大学程冲研究员团队总结了题为“Tunable Structured MXenes with Modulated Atomic Environments: A Powerful New Platform for Electrocatalytic Energy Conversion”的综述。该综述系统地总结了原子环境结构可调控的MXenes电催化材料领域的最新研究进展。不仅讨论了MXenes 衍生纳米电催化结构的各种先进合成和加工方法、带隙和电子结构调控策略等，还梳理总结了目前在催化中心设计、原子环境以及相应的结构-性能关联方面的研究进展，以及其在能量转换系统中的代表性电催化应用，为各种基于 MXenes 的电催化材料的应用设计提供前沿的理论和实验指导。该论文最近在Small期刊上发表。

要点一、最新制备方法以及结构/电子特性调控策略

单层或多层MXenes拥有优秀的物理和化学特性，迄今为止，围绕MXenes材料主要有两种制备策略得到了广泛研究，分别是：氟化物介导的蚀刻策略和无氟制备策略。不同的制备方法将在MXenes表面引入不同功能基团，从而导致MXene基电催化剂各异的物理、化学及电子性能，从而使得MXenes材料拥有广泛的应用潜力。

图1. 氟化物介导的制备方法

图2. 无氟制备法，包括：电化学刻蚀法、浓碱法、热还原法以及熔融盐刻蚀法

要点二、MXene基电催化剂的结构调控策略

通过建立纳米结构、催化中心和电催化特性之间的构效关系，本文深入讨论了催化活性中心设计、原子微环境调控以及相应的MXenes电催化材料的结构-性能相关性方面的最新研究进展，包括表面终端工程、杂原子掺杂、缺陷工程、异质结和合金等，已被广泛用来调控MXenes电催化材料的本征催化特性、电子结构和原子催化环境。这为设计出适用于各种实际应用的MXenes电催化材料提供了新的理论和实验基础。

图3. 表面终端设计工程

图4. 杂原子掺杂策略

图5. 缺陷工程策略

图6. 异质结工程策略

图7. 合金设计工程策略

要点三、结构化 MXenes 电催化材料在能量转换系统中的典型应用

对MXenes进行有效的纳米结构设计和合理的电子结构调控，可以显著增加其比表面积，加速电荷或离子转移，提高本征催化活性，提供更多的活性位点，促进反应动力学，从而显著提高其电催化性能。

要点四、结构化MXenes电催化材料所面临的挑战以及未来展望

虽然MXenes电催化材料在各种能源转换反应中展现出较好应用前景，但这一研究领域仍处于早期阶段。与最高效的金属催化剂相比， MXenes电催化材料在利用原位表征研究催化机理、理论计算和催化活性提升方面仍有很大的开发空间。

因此，MXenes电催化材料的研究还需要在以下方面进行努力：开发高效、环保的合成方法，合成结构多样化的MXenes；结合先进表征技术研究MXenes电材料的催化机理，深度研究潜在机制有利于设计策略的进一步优化；基于MXenes的优势，开发适用于不同应用场景的原子环境和催化中心调控策略将促进结构化MXenes电催化材料的发展；构建低成本、高活性和稳定性的MXenes电催化材料将极大地推进其快速发展和实际应用。

【文章链接】

“Tunable Structured MXenes with Modulated Atomic Environments: A Powerful New Platform for Electrocatalytic Energy Conversion”

https://onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1002/smll.202203281

【通讯作者简介】

程冲，四川大学高分子科学与工程学院特聘研究员，博士生导师，国家四青人才，四川省特聘专家，高分子材料工程国家重点实验室固定人员，洪堡学者。主要研究方向为设计高分子基先进低维功能材料及开发其在生物医药及能源催化领域的应用，特别是基于新型配位聚合物的微纳米结构设计、功能调控、大规模制备及前沿应用开发。主持基金委重点国际(地区)合作研究项目及面上项目、四川省国际科技创新合作项目等，并参与国家重点研发计划专项1项（子课题负责人）。

​以第一和通讯作者在Nature Materials、Chemical Reviews、Nature Communications、Science Advances、Advanced Materials (11篇)、Nano Today、Nano Letters (2篇)、Angewandte Chemie (4篇)、Advanced Functional Materials (7篇)、Advanced Science、InfoMat、Small (5篇)、Nano-Micro Letters等国内外高水平期刊上发表论文90余篇，共发表论文140余篇，总引用7000余次，H-index为50，其中11篇入选ESI高被引，18篇封面论文。

​在申及授权中国发明专利20项，欧洲专利1项及PCT专利2项，并参编英文著作1章，担任InfoMat、Advanced Fiber Materials、Exploration、Carbon Neutralization, Chinese Chemical Letters等多个国际期刊的杂志（青年）编委，中国材料研究学会纤维材料改性与复合技术分会第一届理事会常务理事。荣获2020年四川省医学青年科技奖（二等奖，排名第二）、2021川渝科技学术大会优秀论文奖（一等奖1项，二等奖1项）及四川大学优秀科技人才奖。

【第一作者介绍】

肖苏桐，四川大学博士研究生，她的研究方向是开发新兴二维纳米材料用于电催化及生物催化体系。

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郑懿娟，四川大学博士研究生，她的研究方向是合成与设计高性能纳米催化材料。