28 年 2023 月 XNUMX 日 (Nanowerk聚光灯) 昂贵的贵金属催化剂的廉价且储量丰富的替代品仍然是化学工业前沿的巨大挑战。催化剂通过加速反应速率并在可行的条件下实现重要的转化,在绝大多数工业化学过程中发挥着不可或缺的作用。
然而,由于供应限制和成本过高,黄金标准催化剂——铂和其他稀有铂族金属——继续限制燃料、大宗化学品和药品等关键行业的广泛采用和规模化。这种持续的需求最近引起了人们对一种有前途的新型材料的极大兴趣,这种材料被称为 MXenes。
本文探讨了一篇观点论文的见解和发现(先进材料, “MAX、MXene 或 MX:它们是什么以及哪一个更好?”)由新加坡国立大学的研究人员撰写,重点关注 MXene 的进展及其对催化和能源领域的潜在影响。
A)从MAX到MXene,再到MX的结构示意图; B) 从决定 MXene 内在特性的不同组成和结构因素中了解当前 MXene 的研究趋势的示意图; C) 表面 Ti 周围的局部原子配位以及 Ti−C 轨道示意图3 裸钛3C2 和 Ti−C3O3 Ti 八面体3C2O2。 0 eV处的黑色虚线代表EF; D) 终止 MXene 和裸 MX 中表面活性位点的比较示意图。 (经 Wiley-VCH Verlag 许可转载)(点击图片放大)
MXene 的旅程始于探索其作为催化剂的潜力,催化剂是众多工业过程中的关键组成部分。到 5 年,全球化学品市场价值将超过 2023 万亿美元,严重依赖催化过程,估计 85% 的化学品涉及催化。
然而,MXene 成为一种有前途的替代品,具有与贵金属类似的催化性能。此类材料源自对 MAX 相铝层进行蚀刻(其中“M”代表过渡金属,“A”代表铝等元素,“X”代表碳和/或氮),呈现出一种有趣的特性。可调的电子结构、丰富的表面活性位点和高耐热性。这些特性使 MXene 对各种应用特别有吸引力,包括能量存储和转换、传感器,尤其是催化。
然而,MXene 的催化应用有一个致命弱点:表面终止。当在氟化物水溶液中蚀刻层状 MAX 相前体时,MXene 会自发形成。蚀刻过程会在 MXene 表面留下残留的官能团,例如 –OH、–F 和 –O。研究人员已经证明,这些末端通过阻断活性位点、改变电子能带结构和提高反应势垒,显着降低 MXene 的催化活性。
飞跃:从 MAX 到 MXene 再到 MX
从MAX相到MXenes,再到无终止MXenes(简称MX)的演进是当前研究的重点。 去除表面末端以创建“裸”或无末端 MXene (MX) 可以极大地增强预测的催化性能。裸露的 MX 表面充满了完全暴露的、不饱和的活性金属位点,随时可以与吸附物相互作用。 MX 还具有金属导电性和高达 500 °C 的热稳定性,是高温气相催化的理想特性。 第一性原理模拟显示 MX 强烈化学吸附反应中的中间体和过渡态,包括 CO2 加氢、水煤气变换和氨合成。 2021 年初的一项研究通过实验证实了裸钼2C MXene 卓越的 CO2 末端覆盖的 Mo2CTx MXene 的氢化动力学。然而,缺乏可扩展的合成方案以及对 MX 水稳定性的担忧阻碍了进一步的催化研究。 这篇透视论文证明这些障碍是可以克服的。 MXenes 的表面终止在 400 °C 以上解吸,表明高温 MX 形成是可能的。 MX 对于 CO 等气相反应也应该保持稳定2 氢化。作者认为 MX 在多相催化领域的前景是光明的,特别是当研究从实验室规模合成转向工业生产时。 MX 的独特优势使其适用于催化以外的其他应用。在电池中,与功能化的 MXene 相比,裸露的 MXene 与多硫化物具有强烈的相互作用,有望改善锂硫性能。与迄今为止评估的表面封闭的 MXene 电催化剂相比,路易斯酸性金属位点还可以使 MX 以电化学方式将二氮还原为氨。 通过高熵和单原子合金化等成分修饰进行进一步定制可以产生优异的催化性能。高熵 MX 中多种金属的协同效应和晶格应变可能会降低反应势垒和结合能。将单个铂、钌或铱原子锚定到 MXene 上同样可以产生高度均匀、最大化的贵金属活性位点分布。实现这些概念需要首先解决令人烦恼的 MX 合成障碍。 通过整理新兴的理论和实验证据,该综述为裸 MXene 在下一代热催化中尚未开发的潜力提供了令人信服的案例。如果生产规模、表面稳定性和实际性能方面的关键瓶颈能够得到解决,MXenes 可能最终实现其作为广泛可用的高性能催化剂替代品的承诺。尽管前进的道路仍然充满挑战,但 MXene 研究在过去十年中的快速进展激发了人们的乐观情绪,即这些超薄材料可以促进整个化学行业的变革性突破。
– Michael 是皇家化学学会三本书的作者:
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