二维晶体 MXene 的制备及催化领域的应用研究进展
2.2、高温分解法
高温分解法是在高温真空下， MAX 可分解成Mn+1Xn并伴随着 A 和 M 物质的升 华，形成 Mn+1Xn 的梯度表面层，在分解的 Mn+1Xn 的表面层上形成非常细小的 孔，这使分解速率随着温度的升高而降低。MAX 相的分解可描述如下： 可见采用高温加热分解的方法，虽然能够将 A 元素蒸发出来但是也破坏了 Mn+1Xn 的结构。由于高温分解法受到分解温度和所选厚度标准的影响，目前的 主要研究方向是选 择 合 适 的 分 解 条 件 。
➢ Halim 等在室温下使用较温和的 NH4HF2蚀刻 Ti3AlC2，缓慢进行蚀刻过程 中伴随着阳离子 NH4+嵌入，所制备出的 Ti3C2TX原子层分布均匀和透明度 高。
➢ Xie 等在 80℃ 下将 Ti3AlC2中在 1 mol/L NaOH 溶液中蚀刻 100 h， 接着 在80℃ 下的 1 mol/L H2SO4中处理蚀刻 2 h，制备的 Ti3C2TX作为 Pt 催化 剂载体，具有耐腐蚀性和优异电导性，电化学测量证实 Pt /Ti3C2TX催化剂 比 Pt/C 催化剂表现出更好的高耐久性和氧还原反来应活性。
2.1.1、氢氟酸蚀刻法
将 MAX 相的粉末在 HF 水溶液中浸渍并搅拌一段时间，利用HF选择性地刻蚀 MAX 相中的 A 层而不易破坏 M-X 键，可以获得具有松散堆积结构的中间产 物，然后通过在溶液中超声处理中间产物来制备二维 MXenes。
以含铝元素( Al) 的 MAX 相为例， 与HF 反应生成二维 MXene 的 反应如下：
二维晶体 MXene 的制备及催化领域的 应用研究进展
研究背景及成果
➢ 二维材料通常表现出强的晶体内共价键和弱的层间范德华力相互作用， 它们涵 盖了绝缘体、半导体、金属和超导体的几乎所有的材料特性 ，具有优异的化学 和物理性能。
➢ 二维晶体 MXene 是由过渡金属碳化物、氮化物以及碳氮化物所构成的一种新 型材料， 其具备极好的机械性、亲水性和金属导电性，制备 MXene 可以通过 酸刻蚀、高温、气相刻蚀等方法。
本文综述了 MXene 材料的结构和制备工艺及其在催化领域应用的研究成果，并 展望了其前景，随着研究的进一步深入，MXene 材料将被应用于更广泛的领域。
1、MXene 的结构
MXene主要有三种结构: M2X、M3X2 和 M4X3 ( M为过渡金属，X 是碳、氮或 碳氮化合物) 。MXene与Mn+1AXn(MAX) 相的结构相似， MAX相属六方晶系， 层状六边形具有 P63/mmc 对称性，由交替排列的 Mn+1Xn片层与 A 原子层连 接而成，其中 M 层为类似于石墨烯的六角结构，而 X 层原子则填充于过渡金 属原子形成八面体的中心。
图 3、描述不同阶段 Ti3SiC2 (0001) 分解期间发生的相变示意图
2.3、气相刻蚀法
气相刻蚀法是采用腐蚀性很强的氯气刻蚀 MAX相，会将 A 和 M 原子全 部刻蚀， 最后形成碳化物衍生碳材料。因此，为了选择性地刻蚀 A 元素， 同时保持 Mn+1Xn层的二维性质，需要保持适当温度和刻蚀剂的活性。
在制备过程中产生的废液、废气对人体健康和生态环境均有一定的 危害。因此，寻找温和的和环境友好型的制备方法，将逐渐成为 MXene的研究领域的新方向。
2.1、化学液相刻蚀法
化学液相刻蚀法在实际制备 Mn+1Xn过程中，A 层原子被刻蚀掉后，M 层原子 处于不饱和配位状态， 反应活性极高很容易跟溶液中的-O、-F、-OH 等官能 团( TX) 结合，故 MXenes 常记作Mn+1XnTX 。
近几年来，二维材料在催化领域的研究得到迅猛发展，在传统多相催 化、电催化、光催化等催化体系中得到广泛应用，尤其在一些涉及能 源催化转化的重要反应中表现出了独特的催化特性。
其中，二维 MXene 拥有类似于石墨烯的层状结构，在催化剂方面具 有广泛的应用前景。
3.1、MXene 催化降解污染物的应用
➢ 光催化消除环境污染物是利用太阳能经过一系列复杂反应处理污染物的方法， 其能 降解或矿化有机污染物。 MXene 与二氧化钛类似， 具有催化性能。
➢ 通过搭建肖 特 基 势 垒 和 活 性 面 优 化 的 方 法，可以增强MXene材料催化性 能。
图4、TiO2 的{ 001} 面上在紫外光照射下提供光生 电子-空穴对。( a) ( 001) TiO2/Ti3C2 的电荷转移过 程；( b) { 001} TiO2-Ti3C2界面的示意性带对准和电 荷流动。
现有的碳化物包括 Al4C3、ZC、TiC、B4C、Ti2AlC、Ti3SiC2、Ti3AlC2和 SiC，反应都是在 200～1200℃ 的温度下进行，与氯气合成碳化物衍生 碳材料。
通过气相刻蚀法制备的碳化物衍生碳材料的结构和孔隙度取决于各种合成 参数， 包括碳化物前体、蚀刻温度和卤素。
3、MXene 在催化领域的应用
不同的制备条件下，MXene的 性能、结晶度、缺陷和表面官 能团也会受到影响，在温和的 条件下刻蚀有利于大片层、少 缺陷的 MXene 的合成。
图 1、MAX 相和相应的 MXenes 的结构
2、MXene 的制备方法
MXene可通过对 MAX 相中结合较弱的 A 位元素，利用化学液相刻 蚀、高温分解、气相刻蚀进行制备。现阶段制备MXene 广泛采用的 以上三种方法。
图 2、从 MAX 相的合成 MXenes 的过程的示意图
2.1、化学液相刻蚀法
2.1.2、其他蚀刻法
➢ Ghidiu 等在 40℃ 条件下利用 HCl 和 LiF 的混合溶液蚀刻 Ti3AlCቤተ መጻሕፍቲ ባይዱ，成功制 备出性能优良的 Ti3C2TX，所制备出来的片状 Ti3C2TX具有横向尺寸大、数量 多、质量好等优点。
的制备与光催化应用的研究进展
4
同时这两种薄膜还显示出了低至 100K 的金属导电性：在 100K 以下，电阻率随温度的降低而增加， 在最低温度下呈现负的磁共振波谱
MXene的制备与光催化应用的研究进展
%2.%3 熔 融氟盐高 温刻蚀
MXene的制备与光催化应用的研究进展
较低的工作温度下，湿法刻蚀适用于大多数的含 Al 的
2 MAX 相，但是对于非 Al 的 MAX 相或是氮化物 MAX 相，
%2.%3：路易斯酸熔融盐蚀刻
MXene的制备与光催化应用的研究进展
Li 等[18]通过调整 MAX 相前驱体和路易斯酸的化学性质，将合成路线推广到了各种 氯化物路易斯酸熔融盐(如 CuCl2、ZnCl2、FeCl2、AgCl 等)和更多的 MAX 相前体( 如 A 为 Zn、Si、Ga、In 等)，他们提出了一种通过 A 元素和路易斯酸熔融盐的阳 离子之间的直接氧化还原偶联来刻蚀 MAX 相，从而预测在熔融盐之中 MAX 相的反应 活性，并能通过这种方法增加可制备的 MAX 相的数量 在 750℃下，Ti3SiC2 和CuCl2 之间反应合成 Ti3C2Tx MXene 的过程包含以下反应，见 式 (4—5)
%2 有机物插层
MXene的制备与光催化应用的研究进展
2017 年，Maleski 等[23]根 据 MXene 材料能分散在多种 有机极性溶剂中的特性，探究 了一系列有机溶剂对 Ti3C2Tx 的分散作用，通过对比实验， 他们发现 MXene 的层状结构 可以通过插入有机大分子(如 二甲基亚砜、尿素和异丙胺) 从而削弱层与层之间的相互作
6 之间被去除，Ti3C2 层失去金属键的连接，层与层之间彼
此分离，形成手风琴结构的 MXene。同时，由于使用的刻 蚀剂是氢氟酸，被剥离的 Ti3C2 层表面基团含有
基于二维MXene纳米片气体分离膜的制备及性能研究
基于二维MXene纳米片气体分离膜的制备及性能研究基于二维MXene纳米片气体分离膜的制备及性能研究一、引言近年来，气体分离技术在工业领域得到广泛应用，尤其是在气体纯化、制氧、氢气分离等领域。
传统的气体分离膜材料，如多孔聚合物膜和玻璃膜等，存在着选择性不高、通透率低、稳定性差等问题。
因此，寻找一种高效的分离膜材料成为当今研究的热点之一。
二、二维MXene纳米片的制备二维MXene纳米片是一种新型的材料，具有良好的导电性和化学稳定性。
它是由贵金属原子薄层与碳化物原子薄层组成的结构。
制备MXene纳米片的方法主要包括化学剥离法和气体剥离法两种。
前者是通过在氢氟酸中将金属层和氧化物薄膜剥离得到，后者则是利用高温氧化反应将金属层和氧化物薄膜分离。
三、二维MXene纳米片气体分离膜的制备制备二维MXene纳米片气体分离膜需要考虑膜的成膜工艺和膜的结构设计两个方面。
在成膜工艺方面，可以采用涂覆、旋涂或电沉积等技术将MXene纳米片均匀地分布在膜基底上。
在膜的结构设计方面，可以通过控制MXene纳米片的厚度和孔隙结构，以及调控分子筛效应来增强分离性能。
四、二维MXene纳米片气体分离膜的性能研究二维MXene纳米片气体分离膜的性能主要包括选择性、通透率和稳定性。
选择性是指分离膜对不同气体的分离效果，通过控制孔隙结构和电荷特性可以实现对特定气体的选择性分离。
通透率是指气体分子通过膜的速率，可以通过控制MXene纳米片的孔隙大小和排列来调节分离膜的通透率。
稳定性是指分离膜在长期使用中的性能稳定性，可以通过设计合适的MXene纳米片厚度和形状来提高膜的稳定性。
五、进一步应用与展望二维MXene纳米片气体分离膜具有较高的选择性和通透率，广泛的应用前景。
在未来的研究中，可以进一步探索不同的MXene纳米片组合、调控孔隙结构和表面修饰等方法，以提高分离膜的性能。
同时，还可以研究MXene纳米片气体分离膜的可持续性和可回收性，实现其在环保领域的应用。
基于MXene量子点杂化材料的制备及其催化性能研究
基于MXene量子点杂化材料的制备及其催化性能研究基于MXene量子点杂化材料的制备及其催化性能研究摘要：随着能源危机和环境污染日益严重，新型高效催化材料的研究备受关注。
MXene作为一种新兴的二维材料，具有优异的电导率和催化活性，成为新一代催化材料的热点。
本文通过制备MXene量子点杂化材料，并对其催化性能进行研究，探索了MXene量子点杂化材料在催化领域的应用前景。
一、引言能源危机和环境污染问题已经成为全球性的挑战，迫切需要寻找新型高效催化材料来解决这些问题。
二维材料作为一种新兴的材料，具有独特的表面活性和导电性能，因此在催化领域具有广阔的应用前景。
MXene作为一类新型的二维材料，已经在能源储存、传感器和电催化等领域取得了许多重要的研究进展，但是其在催化领域的应用还属于初级阶段。
二、MXene量子点的制备方法制备MXene量子点的常用方法有化学剥离、电化学剥离和热剥离等。
其中，化学剥离是一种常用的方法，主要是通过酸溶液对MXene层进行剥离，得到纳米尺寸的MXene量子点。
电化学剥离是一种新兴的制备方法，通过电化学方法在外加电压的作用下将MXene层剥离得到量子点。
热剥离是利用高温处理来剥离MXene层，得到纳米尺寸的MXene量子点。
三、MXene量子点的催化性能研究1. MXene量子点在氧还原反应中的应用氧还原反应是一种重要的电催化反应，对于燃料电池和金属空气电池具有重要意义。
研究表明，MXene量子点在氧还原反应中表现出优异的催化活性，比传统的铂基催化剂具有更高的活性和更好的稳定性。
2. MXene量子点在氢进化反应中的应用氢进化反应是一种重要的催化反应，广泛应用于化工工艺中。
研究发现，MXene量子点在催化氢进化反应中表现出良好的催化活性和选择性，比传统的钯基催化剂具有更高的催化活性和更好的稳定性。
3. MXene量子点在有机合成中的应用MXene量子点还可以应用于有机合成领域，催化有机反应的进行。
金属基体 MXene 材料在超级电容器中的研究与应用
金属基体 MXene 材料在超级电容器中的研究与应用金属基体MXene材料在超级电容器中的研究与应用超级电容器作为一种新型的储能装置已经得到了广泛的关注，它具有高能量密度、长循环寿命和快充电速率等优点，在电动汽车、可再生能源储存等领域有着广泛的应用前景。
而金属基体MXene材料作为一种新兴的电极材料，在超级电容器中具有重要的研究价值和应用潜力。
MXene材料是一类由两维晶体结构组成的二维材料，其中的金属基体可以是钛、钼、钒等常见金属元素，具有优异的电学、热学和力学性能。
独特的结构使得MXene材料具有较高的比表面积和导电性能，使其成为超级电容器的理想候选材料之一。
首先，金属基体MXene材料的高比表面积为超级电容器的储能提供了更多的活性表面积，从而提高了电极材料的能量密度。
MXene材料可以通过表面官能化等方法调控其比表面积，增加其活性表面积，从而提高超级电容器的储能效果。
与传统的电容器相比，MXene材料的独特结构使得其能够实现更高的能量密度，进一步推动了超级电容器的发展。
其次，金属基体MXene材料具有优异的导电性能，为超级电容器的高功率输出提供了可能。
MXene材料的导电性能取决于其结构和金属基体的选择，金属基体常常是高导电性的元素。
因此，通过合适的金属基体选择和结构设计，可以实现MXene材料的优异导电性能，从而提高超级电容器的功率输出能力。
此外，金属基体MXene材料还具有良好的循环稳定性和耐久性，对于超级电容器的长寿命运行具有重要意义。
MXene材料可以通过控制其层间间隙和结构稳定性，实现超级电容器长时间的循环使用。
研究表明，MXene材料在高循环次数下仍然能够保持较高的电容性能，具有良好的循环稳定性和耐久性。
综上所述，金属基体MXene材料在超级电容器中具有重要的研究与应用价值。
其高比表面积和导电性能为超级电容器的储能和功率输出提供了可能，同时其良好的循环稳定性也为超级电容器的长寿命运行提供了保证。
二维MXene固溶体制备及应用研究进展
的应用 &
Yang等盟证明了 MXene固溶体也可以作为电极正
极材料应用于锂离子电池,他们将(Nbc.8Tic.2)4C3Tx和
(Nb0.8Zr0.2)4C3Tx经20次循环后的比容 分别为158 mAhgT
和 132 mAh ・gRi。Wang 等问将(V” Til _X)2C MXenes
(x=0,0.3,0.5, 0.7,2)作为
⑶吴海江，龚晨，朱家乐，等•溶剂热法制备钛酸钾粉体研究[J]. 邵阳学院学报(自然科学版),2021,18(1):60—66.
[4] 王新宇，武立立，高红，等.TiflCH的制备及Ti'ChTx薄膜的 电化学性能研究[J].中国科学：化学,2018,48(3) $289—297.
[5] Wei S Q, Wang C D, Zhang P J, et al. Mn2k Intercalated V2C MXene for enhanced sodium ion battery [J]. Journal of Inorganic Materials, 2020, 35(1).
(Nb0.2Zr0.2)A1C3 为前驱体，
(Nb0.8Ti0.2)4C3#(Nb0.2Zr0.2)C3,
其XRD图谱上以看
有MAX相料被除
去" 而有趣的是,实验中 相Nb4C3Tx是使用 浓 HF
的，也证明 MAX相合金化以 i刻蚀
O2019 ,Wang 等凹研究了以(VRTiiJA1C 不
仗二
0,0.3,0.5,0.7,2)为原料,在 2 g LiF 和 40 mL 36%〜38%
LiF和HC1混合 中60 h,合成了高纯度TiVCo
MXene
体 示意，
《贵金属-MXene纳米复合材料的研制及性能研究》
《贵金属-MXene纳米复合材料的研制及性能研究》贵金属-MXene纳米复合材料的研制及性能研究一、引言随着纳米科技的飞速发展，贵金属与新型二维材料MXene的复合材料因其独特的物理和化学性质，在能源转换、存储、催化以及传感器等领域展现出巨大的应用潜力。
本文旨在介绍贵金属/MXene纳米复合材料的研制过程，并对其性能进行深入研究。
二、贵金属/MXene纳米复合材料的研制1. 材料选择与制备贵金属的选择主要依据其良好的导电性、催化活性以及化学稳定性。
常见的贵金属如金（Au）、银（Ag）和铂（Pt）等被选为研究对象。
MXene作为一种新型二维材料，具有优异的电导性、高机械强度以及良好的亲水性，是贵金属的理想载体。
制备过程中，我们采用液相还原法，将贵金属前驱体溶液与MXene溶液混合，通过控制反应条件，实现贵金属在MXene表面的均匀沉积。
2. 工艺流程与参数优化在制备过程中，我们通过调整反应温度、反应时间、贵金属前驱体浓度以及pH值等参数，优化贵金属/MXene纳米复合材料的制备工艺。
通过多次试验，我们找到了最佳的工艺参数，成功制备出性能优良的贵金属/MXene纳米复合材料。
三、性能研究1. 结构与形貌分析通过X射线衍射（XRD）、扫描电子显微镜（SEM）和透射电子显微镜（TEM）等手段，我们对贵金属/MXene纳米复合材料的结构与形貌进行了分析。
结果表明，贵金属成功负载在MXene表面，形成了均匀的纳米复合结构。
2. 电化学性能研究我们以Au/MXene纳米复合材料为例，研究了其电化学性能。
在催化剂应用中，Au/MXene表现出优异的催化活性，对某些反应具有较高的催化效率。
此外，其良好的电导性和稳定的电化学性能使其在能源转换和存储领域具有巨大的应用潜力。
3. 物理与化学性质研究贵金属/MXene纳米复合材料具有优异的物理和化学性质，如高机械强度、良好的热稳定性以及抗腐蚀性等。
这些性质使得该材料在各种恶劣环境下均能保持良好的性能。
三元层状碳氮化合物(max相)及其衍生二维纳米材料(mxene)研究趋势与展望
三元层状碳氮化合物(max相)及其衍生二维纳米材料(mxene)研究趋势与展望
三元层状碳氮化合物(Max相)是一种新兴的二维材料，具有优异
的导电和导热性能、高比表面积以及良好的化学稳定性，因而在能源
储存、电磁屏蔽、催化剂等领域展现出巨大的应用潜力。
近年来，越
来越多的研究者开始关注Max相及其衍生二维纳米材料（MXene），并
致力于深入探究其性质与应用。
在Max相的研究方面，目前的趋势是探索其结构与性能之间的关系，通过实验和理论相结合的方法，深入研究其电子结构、机械性能、热稳定性等方面的性质。
一些研究也将焦点放在Max相的合成与制备
方面，通过控制合成条件和后处理方法，提高材料的质量和性能。
在MXene的研究方面，目前的趋势是拓展其应用领域和提高其性能。
一些研究者将目光投向MXene在催化剂、能量存储、生物医学等
领域的应用，通过工程改性的方式，改善MXene的电化学性能、热稳
定性等方面的性质。
此外，一些研究者也在探究MXene的复合材料，
将其与其他材料进行复合，以期获得更加优异的性能。
总的来说，Max相及其衍生的MXene材料，是当前二维材料研究
领域备受关注的热门方向。
随着研究不断深入，相信将会有更多的性
质和应用被发掘出来，为科学技术和工业应用带来更加广阔的前景。
二维纳米mxene膜材料的合成与应用__概述及解释说明
二维纳米mxene膜材料的合成与应用概述及解释说明引言部分的内容主要是对文章进行概述，介绍文章的结构和目的。
具体内容如下：1.1 概述:二维纳米mxene膜材料作为一种新兴的材料，在科学研究和工程应用中引起了广泛关注。
该材料具有特殊的二维结构和优异的性能，使其在多个领域具有广阔的应用前景。
本文将对二维纳米mxene膜材料的合成方法、特性分析以及其在能源领域和环境治理中的应用进行全面探讨。
1.2 文章结构:本文共分为五个部分：引言、二维纳米mxene膜材料的合成与应用、二维纳米mxene膜材料在能源领域的应用、二维纳米mxene膜材料在环境治理中的应用以及结论与展望。
首先，我们将介绍本文的概述，然后详细讨论二维纳米mxene膜材料的合成方法及其工艺参数，并对其特性进行深入分析。
接着，我们将重点关注该材料在能源领域（包括锂离子电池、超级电容器和光催化剂等）的应用，以及在环境治理（如污水处理、空气过滤和水资源利用等）方面的潜在应用。
最后，我们将对本文所做研究的主要结果进行总结，展望二维纳米mxene 膜材料未来的发展趋势，并提出研究中存在的不足之处及改进方向。
1.3 目的:本文旨在系统概述二维纳米mxene膜材料的合成方法、特性分析以及其在能源领域和环境治理中的应用。
通过全面介绍该材料的相关研究成果，旨在加深读者对该材料的认识和理解，并为未来进一步开展相关研究提供参考和启示。
此外，通过对研究中存在问题以及改进方向的探讨，也希望能够推动该领域更加深入地发展。
2. 二维纳米mxene膜材料的合成与应用2.1 二维纳米mxene膜材料的概念介绍二维纳米mxene膜材料是一种新型的二维材料，由金属碳化物或氮化物通过化学剥离法制得。
它具有高表面积、可控的厚度和丰富的表面官能团，因此在许多领域具有广泛的应用前景。
2.2 合成方法及工艺参数合成二维纳米mxene膜的常用方法是通过对含有原始层状结构金属碳化物或氮化物进行酸性溶液处理来实现。
二维金属纳米材料的合成及电催化应用的研究进展
Vol.42 2021年2月No.2456~474 CHEMICAL JOURNAL OF CHINESE UNIVERSITIES高等学校化学学报二维金属纳米材料的合成及电催化应用的研究进展皮业灿1，2，张应1，成子方2，黄小青1，2（1.厦门大学化学化工学院,厦门361005；2.苏州大学材料与化学化工学部,苏州215123）摘要基于各种电化学过程的能源转化技术是未来可持续能源利用和发展的关键,而催化剂在其中扮演着非常重要的角色.二维金属纳米材料因其独特的物理化学性质在许多电催化反应中都展现出巨大的应用潜力,也因此受到了广泛关注.本文介绍了二维金属纳米材料的常见合成方法与策略,并综合评述了近年来该类材料在电催化应用领域中的研究进展,重点探讨了材料的组分和微观结构等因素对其性能的影响机理,最后对二维金属纳米材料目前所面临的挑战以及未来的研究方向进行了总结与展望.关键词二维结构；金属纳米材料；电催化；能源转化中图分类号O646；O614文献标志码A随着人类社会的高速发展，化石燃料的消耗与日俱增，所带来的能源和环境问题也日益凸显，发展绿色可持续的新能源已逐渐成为未来趋势［1~3］.然而，自然界中的各种可持续能源，如太阳能、风能及潮汐能等，由于间歇性的问题通常较难直接应用到日常生产生活中.因此，开发高效的能源储存与转化技术是利用和发展这些可持续能源的关键［4~8］.借由各种间歇性的可持续能源转化而来的电能驱动电化学反应，将水、二氧化碳及氮气等环境中常见的分子还原转化成附加值更高的化合物，如氢气、双氧水、一氧化碳、甲酸、烃类和醇类等，是一种理想的能源转化与利用途径［9~19］.上述产物不仅可直接应用到化工、医药等领域，还能借助燃料电池技术将其中储存的化学能转换成电能再加以利用［20~23］.但在实际应用中，电化学反应的动力学和选择性，以及催化剂的稳定性和成本等因素都极大地限制了上述能源转化技术的发展和大规模应用［24~26］.鉴于此，设计开发具有高活性、高选择性、高稳定性且低成本的电催化剂，以加快电极反应速率、提升装置的能量转化效率并降低使用成本，对于可持续能源的大规模开发和利用具有非常重要的意义［27~31］.二维纳米材料的厚度通常仅有几纳米到几十纳米，而横向尺寸则可达到数百纳米甚至微米尺度.高度的各向异性，以及独特的表面化学环境和量子尺寸效应等通常使其表现出特殊的物理和化学性质，引起了广泛关注［32~38］.尤其是2004年Novoselov和Geim等［39］首次报道了利用机械剥离法制备石墨烯以来，各种二维纳米材料，如杂原子掺杂的石墨烯［40~43］、氮化碳（g-C3N4）［44，45］、过渡金属硫族化合物［46~48］、六方氮化硼（h-BN）［49，50］、层状双金属氢氧化物（LDH）［51~53］、二维过渡金属碳（氮）化物（MXenes）［54，55］、二维金属和金属氧化物［56~59］以及二维金属有机框架［60~62］等逐渐成为了材料领域研究的热点.其中，二维金属纳米材料因其具有较大的比表面积、良好的电子传导能力、丰富的表面低配位原子以及易于调控的表界面结构等特点，在催化领域显现出巨大的应用潜力［63，64］.近年来，研究者们借助各种合成方法和策略，设计构建了许多具有不同组分和结构的二维金属纳米材料.相比于块体材料或纳米颗粒，二维金属纳米材料在各种能源转化相关的电化学反应中都展现出独特的催化性能［65~70］.本文介绍了二维金属纳米材料的常见合成方法与策略，并综合评述了近年来该类材料在各种能源转化doi：10.7503/cjcu20200551收稿日期：2020-08-11.网络出版日期：2020-11-13.基金项目：厦门大学高层次人才科研启动基金(批准号:0040/X2303321)资助.联系人简介：黄小青,男,博士,教授,主要从事无机纳米材料的合成与应用研究.E-mail:**************.cnNo.2皮业灿等：二维金属纳米材料的合成及电催化应用的研究进展相关的电催化应用中的研究进展，重点阐述了材料的组分和微观结构对催化性能的影响机理，最后对这一领域目前面临的挑战以及未来的研究前景进行了总结与展望.1合成方法与零维和一维纳米材料相比，二维纳米材料的高度各向异性致使其通常具有较高的表面能，热力学并不稳定，因此合成也较为困难［71，72］.对于石墨、过渡金属硫族化合物及LDH 等具有天然层状晶体结构的材料，其层与层之间依靠较弱的范德华力结合，所以通常采用自上而下的合成策略，如利用各种剥离方法削弱层与层之间的作用力，降低块体材料的厚度从而得到对应的二维纳米材料［73，74］.但对于绝大部分的金属材料而言，原子间依靠较强的金属键连接并堆叠成各种三维晶相结构，如面心立方（fcc ）、体心立方（bcc ）和密排六方（hcp ）等.因此，二维金属纳米材料的合成多采用自下而上的策略，从金属盐或金属有机配合物等前驱体出发，通过控制成核以及生长过程，从而得到对应的二维金属纳米材料［57，66，75~79］.由于目前的各种二维金属纳米材料的合成方法和策略不仅种类繁多，且其中一些合成方法的内在机理也尚未完全被揭示，因此难以对其进行详尽的分类与总结.下面选取一些目前研究较多，具有一定普适性且机理阐释相对明晰的合成方法和策略进行介绍（见表1）.1.1配体和小分子辅助生长法配体和小分子辅助生长法是合成二维金属纳米材料最常用的方法之一，属于典型的自下而上的合成策略.一般而言，金属纳米材料的合成会经历前驱体的还原、原子成核以及纳米晶的生长等阶段.通过在合成中引入特定的配体或小分子添加物，往往能够影响纳米晶的生长过程，从而得到具有二维结构的金属纳米材料（图1）［80~83］.一方面，这些配体或小分子会选择性地吸附在纳米材料的特定晶面，使得垂直于该晶面方向上的生长受到抑制，导致不同方向上的生长速率出现较大的差异，最终形成二Table 1Summary of some representative 2D metal nanomaterials with corresponding synthetic methodsSynthetic method Ligand/small molecule⁃mediated synthesis Template⁃directed synthesis Space⁃confined growth Seeded growthExfoliation method Mechanical compression method Element RhRhCo AgPd Pd⁃Pt⁃Ag Au Pd Pt AgAu Au Ag Pd@Pt Pd@Ru Ag@Ag SbAs ，Sb ，Bi RuPt Bi Pt ，Au Ag AlInformation about structure &morphology Nanosheets ，ca .1.3nm in thickness Single⁃crystalline parallelogram nanosheets ，（0.9±0.4）nm in thickness Partially oxidized 4⁃atomic⁃layers Triangular sheets Hexagonal nanosheets ，less than 10atomic layers thick ，tunable length of 20—160nm Alloy nanosheets ，3nm in thickness Square nanosheets ，hcp phase ，（5.0±0.6）nm in thickness Single⁃crystalline square nanoplates ，tunable thickness of 2.4—4.5nm Single crystalline nanosheet ，9.8nm in thickness Nanoplates on MoS 2substrate Nanosheets with thicknesses of several to tens of nanometers ，large areas （>100µm 2）Single⁃crystalline nanosheets ，exceeding 20µm in lateral size Nanoplate with ｛111｝facets exposed Monolayer Pt grown on Pd core⁃shell nanoplates ，less than 5nm thick Sub⁃monolayered Ru decorated⁃ultrathin Pd nanosheets ，1.9nm in thickness hcp/fcc square nanosheets ，（2.8±0.5）nm in thickness Nanosheets with thicknesses of 3—4nm Nanosheets Nanosheet ，ca .0.6nm in thickness Monolayer nanosheets Nanosheets with thickness of ca .2nm and area of more than several micrometersNanosheets ，5—10nm in thickness Nanosheets with thicknesses of ca .1nm and sizes of the order of micrometers Nanosheets ，ca .3nm in thickness Ref.［84］［88］［85］［86］［87］［89］［90］［91］［92］［94］［95］［97］［100］［105］［106］［107］［108］［109］［112］［113］［114］［115］［116］［117］457Vol.42高等学校化学学报维平面结构.另一方面，配体或小分子在表面的吸附也能够显著地降低二维金属纳米材料的表面能，帮助其进一步稳定.一些包含亲水端和疏水端的表面活性剂分子，如油胺（OAM ）、油酸（OA ）、十六烷基三甲基氯化铵（CTAC ）及十二烷基硫酸钠（SDS ）等都是常用于该合成策略的有机配体.Jang 等［84］报道了一种Rh 纳米片的合成方法，其中［Rh （CO ）2Cl ］2作为金属前驱体，OAM 同时作为保护剂、溶剂和还原剂.机理研究表明，OAM 分子中的氨基基团（—NH 2）在反应过程中与表面的Rh 原子配位，并通过分子间的范德华作用促进了二维Rh 纳米片的形成［图2（A ）和（B ）］.基于类似的策略，Gao 等［85］在Co 纳米片的合成中引入正丁胺分子，后者能够吸附在乙酰丙酮钴水解产物的表面以降低其表面能，并最终形成仅有4个原子层厚度的Co 纳米片［图2（C ）］.此外，聚乙烯吡咯烷酮（PVP ）也是一种被广泛用于合成二维金属纳米材料的表面活性剂，其聚合物主链具有很好的空间阻隔能力，有助于二维纳米结构的形成和稳定.不仅如此，PVP 末端的羟基基团（—OH ）还具有一定的还原能力，可同时作为还原剂使用.Xia 等［86］利用PVP 的上述特性合成了一系列具有二维结构的Au ，Ag 及Pd 等纳米材料.近年来，一些小分子化合物，如一氧化碳（CO ）、甲醛及乙二醛等也被广泛应用到二维金属纳米材料的合成中.Zheng 等［87］开发了一种用于制备Pd 纳米六方片的CO 辅助生长法，以乙酰丙酮钯作为金属前驱体，N ，N -二甲基甲酰胺（DMF ）和水作为溶剂，十六烷基三甲基溴化铵（CTAB ）和PVP作为Fig.1Plot of atomic concentration against time,illustrating the generation of atoms,nucleation andsubsequent growth(A)and the shape evolution during the successive stages of growth for animaginary 2D crystal(B)[80]Copyright 2009,Wiley⁃VCH.Fig.2Growth mechanism(A)and TEM image(B)of rhodium nanoplates [84]and schematicformation process of the partially oxidized and pure Co 4⁃atomic⁃layer(C)[85](A,B)Copyright 2010,American Chemical Society;(C)Copyright 2016,Springer Nature.458No.2皮业灿等：二维金属纳米材料的合成及电催化应用的研究进展保护剂，并在反应过程中通入1个大气压的CO 气体，在100℃下反应3h 即可得到形貌均匀且具有规则六边形轮廓的Pd 纳米片［图3（A ）］.研究表明，CO 分子与Pd （111）晶面之间具有很强的吸附作用，能够抑制Pd 原子在该晶面上的进一步沉积.这种限制作用最终促使了厚度仅有10个原子的超薄Pd 纳米片的形成，且该纳米片暴露出来的基面为Pd （111）面［图3（B ）和（C ）］.利用类似的策略，他们还成功制备了具有四边形轮廓的Rh 纳米片［图3（D ）~（F ）］［88］.除了一元的金属纳米片，这种CO 辅助生长法还能用于合成多元的合金纳米片材料.Hong 等［89］报道了一种Pd -Pt -Ag 合金纳米片的合成方法.他们以K 2PdCl 4，K 2PtCl 4和AgNO 3作为金属前驱体，抗坏血酸作为还原剂，将其加入到事先通入CO至饱和的CTAC 水溶液中，在95℃下反应2h 即可得到平均厚度小于5nm 的Pd -Pt -Ag 合金纳米片［图3（G ）~（I ）］.1.2模板法一些具有层状结构的纳米材料可以作为模板用于二维金属纳米材料的合成［90~94］.模板法通常是利用金属前驱体或反应中间体与二维模板表面的相互作用，促使金属原子沿着平面方向沉积、生长.石墨烯（或氧化石墨烯）是一种常见的二维材料，具有很好的水溶性和机械柔韧性，同时表面富含的缺陷位点以及官能团等能与金属前驱体和反应中间体等形成较强的相互作用，因而常作为模板被广泛应用于各种二维金属纳米材料的合成.Huang 等［93］使用氧化石墨烯作为模板，正己烷和乙醇（体积比23∶2）的混合溶液作为溶剂，同时引入OAM 作为保护剂，合成了方形的Au 纳米片.研究表明，氧化石墨烯表面的含氧官能团与混合溶剂的协同作用促进了Au 原子在碳层的表面沉积并沿平面方向生长，并且得Fig.3TEM image of Pd nanosheets(A),SAED pattern of a single Pd nanosheet(shown inthe inset)(B),schematic diagram of Pd nanosheet with CO molecules on the (111)facets(C)[87],TEM image of Rh nanosheets with a long ⁃edge length of 880nm(D),high⁃resolution HAADF⁃STEM image projected along the [111]axis of Rh nanosheet(E),SAED pattern of a Rh nanosheet(shown in the inset)(F)[88],TEM images(G,H)and EDSelemental mappings(I)of Pd⁃Pt⁃Ag nanosheets [89]Inset of (A)is the photograph of an ethanol dispersion of Pd nanosheets in a vial.(A―C)Copyright 2010,Springer Nature;(D―F)Copyright 2015,Wiley⁃VCH;(G―I)Copyright 2016,Wiley⁃VCH.459Vol.42高等学校化学学报到的Au 纳米片具有独特的hcp 相（图4）.此外，其它的二维材料如MoS 2等也可作为模板用于合成二维金属纳米材料.Zhang 等［94］在MoS 2溶液中加入AgNO 3作为金属前驱体，并引入还原剂和保护剂，合成得到了MoS 2负载的Ag 纳米片复合材料.1.3空间限域生长法构建二维的限域空间，从而抑制金属前驱体向其它维度的扩散并促使其在二维空间中还原生长，也是一种合成二维金属纳米材料的常用方法.Qin 等［95］设计了一种由层状水凝胶构成的二维限域环境，合成得到了具有超大面积（>100µm 2）的金纳米片（图5）.他们配制了一定浓度的正十二烷基衣康酸甘油酯（DGI ）水溶液，这种非离子型表面活性剂在水中会自组装形成双层膜结构.双层膜与双层膜之间由水填充，前驱体HAuCl 4溶解在其中，并在这种受限的二维空间中还原形成Au 纳米片.Wang 等［96］巧妙地利用了LDH 的层状结构特点，使Au 前驱体在LDH 中的层间隙中还原生长，最终得到了仅有几个原子层厚度的Au 纳米片材料.此外，通过构建液/液、液/气或液/固界面，使纳米材料在界面处生长并形成二维结构，也是常见的空间限域合成策略［97~100］.Kida ［97］利用水和氯仿形成的液/液界面，制备了厚度约为150nm 且直径约为20µm 的单晶Au 纳米片.Fig.4Schematic illustration of the formation process of Au square sheet on a GO sheet(A),TEMimage(B),HRTEM image(C)and SAED pattern(D)of the Au square sheet [93]Copyright 2011,SpringerNature.Fig.5Schematic illustration of the Au nanosheet synthesis procedure(A),SEM image(B)and TEMimage(C)of Au nanosheets [95]Copyright 2013,American Chemical Society.460No.2皮业灿等：二维金属纳米材料的合成及电催化应用的研究进展1.4种子生长法种子生长法通常由两步构成，先合成一种纳米材料作为“种子”（或称为“晶核”），再引入新的金属前驱体，使其在前者的基础上继续还原生长并形成最终的纳米结构.相当于将纳米材料的成核步骤和生长步骤分开，通常得到的是具有核壳结构的纳米材料［101~104］.如果将二维纳米材料作为种子，则最终一般也能得到具有二维结构的纳米材料［105］.Zhang 等［106］首先合成了Pd 纳米六方片，并将其分散在乙二醇溶液中，随后加入PVP 和抗坏血酸分别作为保护剂和还原剂.将该混合液加热到160℃后向其中注入乙酰丙酮钌前驱体的溶液，并在搅拌下反应1h ，即可得到Pd@Ru 纳米片.在反应过程中，引入的Pd 纳米片相当于提前完成了“成核”步骤，Ru 前驱体被还原成Ru 原子后不断沉积在Pd 纳米片的表面，形成包覆的Ru 壳［图6（A ）~（D ）］.值得注意的是，在相同的反应条件下，如果不加入Pd 纳米片则得不到任何产物.进一步的机理分析表明，Pd 纳米片作为Ru 原子的沉积基底，降低了后者的还原电势，这种作用类似于欠电位沉积，有助于Ru 前驱体的还原.Fan 等［107］则首先合成了方形的Au 纳米片作为种子，随后加入AgNO 3作为Ag 源，并引入NaBH 4作为还原剂，合成得到了表面被Ag 包覆的方形Au@Ag 纳米片［图6（E ）~（K ）］.1.5剥离法铋（Bi ）和锑（Sb ）等极少数的金属具有天然的层状晶体结构，其中层与层之间依靠范德华力结合在Fig.6Schematic illustration of the synthetic process of Pd@Ru nanosheets(A),aberration⁃correctedHAADF ⁃STEM images of Pd@Ru nanosheets(B,C),STEM ⁃EDS elemental mappings of a typicalPd@Ru nanosheet(D)[106],TEM image of fcc Au@Ag square sheets(E),SAED patterns of a typical fccAu@Ag square sheet taken along the [100]f zone axes(F),HRTEM image of the fcc Au@Ag squaresheets(G),HAADF⁃STEM image and the corresponding STEM⁃EDS elemental mappings of a typicalfcc Au@Ag square sheet(H —J),high ⁃resolution HAADF ⁃STEM image and the correspondingSTEM⁃EDS elemental mappings of the cross⁃section of a typical fcc Au@Ag square sheet(K)[107](A―D)Copyright 2016,Wiley⁃VCH;(E―K)Copyright 2015,Springer Nature.461Vol.42高等学校化学学报一起.因此，可以利用剥离的方法，通过减弱层间作用力，将块体材料的厚度降低至纳米尺度，从而得到相应的二维金属纳米材料［108~111］.Gu 等［108］将金属Sb 粉与氢氧化钠混合，加入到异丙醇溶剂中，连续超声30h 即得到了厚度约为4nm 的Sb 纳米片［图7］.他们研究发现，溶剂的选择对剥离效果的影响较大.相比于其它溶剂，异丙醇具有与Sb 纳米片更加匹配的表面能，能够最大程度地降低混合焓从而有利于纳米片的形成与稳定.此外，氢氧化钠的引入对于剥离过程也至关重要，其中的钠离子（Na +）在超声的作用下，从边缘插入到块体Sb 的层间隙中，从而削弱了Sb 层之间的范德华相互作用.Pumera 等［109］将块状Bi 晶体与水混合，并加入一定量的水性表面活性剂胆酸钠（Sodium cholate ）.随后，将该混合物放入搅拌机中不断搅拌2h ，利用剪切应力的作用成功剥离出了Bi 纳米片.其中胆酸钠能够通过表面配位作用稳定剥离出来的Bi 纳米片，防止其团聚.同样的方法还能剥离得到Sb 纳米片和砷（As ）纳米片.此外，一些不具备天然层状晶体结构的金属还可以通过间接的剥离方法得到相应的二维纳米材料［112-113］.Fukuda 等［112］首先合成了具有层状结构的α-NaRuO 2前体材料，然后采用离子交换以及超声震荡的方法将其剥离成RuO 2纳米片，后者再进一步经过5%（体积分数）H 2+95%（体积分数）N 2气氛下的煅烧还原处理，最终得到了金属态的Ru 纳米片.1.6机械压缩法利用金属材料优良的延展性，可以通过施加外力以减小其某一方向上的尺寸，这种机械压缩法也是一种制备二维金属纳米材料的较普适的方法［114~117］.Wu 等［114］将Bi 纳米颗粒夹在两片Si 基底之间，并向其施加0.54GPa 的压力，随后在150℃下反应30min 后得到了厚度约为2.6nm 的Bi 纳米片.运用类似的方法，他们还分别合成得到了厚度为5nm 的Pt 纳米片以及厚度约为10nm 的Au 纳米片和Ag 纳米片［115］.与这种单次压缩的方法相比，Wu 等［116］还设计了一种多次折叠、压缩的方法，以重复多次地降低材料的厚度，最终得到超薄的二维金属纳米材料.如图8（A ）所示，将两片相同大小和厚度的Al 箔和Ag 箔通过机械轧制压在一起（初始厚度约为100µm ），然后将其折叠起来，并再次进行机械轧制.反复进行这种折叠-轧制的操作，则会得到一种类似“千层饼”的结构.随着每次折叠-轧制操作的重复，每层金属的厚度也在逐渐减小.在该过程中，经过20次重复的折叠-轧制操作之后，整个金属箔的总厚度变为1µm 左右，而每层金属的平均厚度则小于1nm.随后，用2mol/L NaOH 溶液浸泡24h 以选择性地溶解Al ，最终得到了分散的Ag 超薄纳米片［图8（B ）］.如图8（C ）所示，原子力显微镜的表征结果显示，所得到的Ag 纳米片最薄处仅有0.9nm.运用类似的策略，他们还分别合成得到了Au ，Fe 以及Al纳Fig.7Schematic illustration of the fabrication process of Sb nanosheets(A),TEM image(B)andHRTEM image(C)of Sb nanosheets,typical AFM image and measured thickness of Sbnanosheet(D)[108]Copyright 2017,Wiley⁃VCH.462No.2皮业灿等：二维金属纳米材料的合成及电催化应用的研究进展米片［116，117］.2电催化应用随着能源危机和环境问题的日益凸显，基于能源转化的各种电催化反应逐渐成为近年来的研究热点［6，27，28］.二维金属纳米材料因其独特的结构和电子特性在许多电催化反应中均表现出巨大的应用潜力，吸引了越来越多的关注.首先，相比于一般的块体金属，二维金属纳米材料具有更大的比表面积，有利于暴露出更多的活性位点，对于提升金属原子利用率，特别是对于降低贵金属催化剂的成本而言具有重大的现实意义.此外，二维纳米结构中富含的大量低配位表面原子，通常在反应中表现出更高的催化活性.不仅如此，优异的电子传导能力、灵活可调的表面和电子结构使得二维金属纳米材料成为许多电化学反应催化剂的理想选择（表2）.下面选取了一些比较有代表性的电催化反应，介绍二维金属纳米材料在其中的应用和研究进展.2.1氧还原反应燃料电池能够将化学能直接转换为电能输出，是一种非常清洁、高效的能源转换技术，在未来可持续能源的利用和发展中扮演着十分重要的角色［118，119］.作为燃料电池的阴极半反应，氧还原反应（ORR ）近年来受到了越来越多的关注［23，120］.目前，为了提升电极反应速率，ORR 通常采用性能较好的Pt 基和Pd 基材料作为催化剂，但由于它们都属于贵金属，储量稀少且价格昂贵，在一定程度上限制了燃料电池技术的大规模应用.因此，如何在进一步提升ORR 催化剂活性的同时，降低其使用成本成为近年来材料和催化领域的研究热点［121~127］.首先，二维金属纳米材料通常具有较大的比表面积，能够有效地提升贵金属的原子利用率.此外，通过引入其它非贵金属组分以形成二维合金纳米材料也可减少贵金属的用量，从而进一步降低催化剂的成本.不仅如此，其它组分的引入还能对催化活性起到一定的调控作用.Guo 等［128］设计合成了一种PdMo 合金纳米片，其平均厚度仅为0.9nm ，电化学比表面积高Fig.8Schematic of the fabrication of metal nanosheets by a repeated size reduction method(A),SEMimage of Ag nanosheets spread onto a Si substrate(B),AFM image of three single pieces of Agnanosheets(C)[116]Copyright 2016,Wiley⁃VCH.463Vol.42高等学校化学学报达（138.7±9.1）m 2/g Pd （图9）.随后他们将这种PdMo 合金纳米片应用于碱性条件下的ORR 催化中.电化学测试的结果显示，与商业Pd/C 和Pt/C 催化剂相比，PdMo 合金纳米片的质量活性和面积活性均表现出巨大的优势.其中，在0.9V （vs.RHE ）的电位下，PdMo 合金纳米片的质量活性分别是商业Pd/C 和Pt/C 催化剂的327倍和77倍，面积活性则分别是后者的83倍和47倍.此外，与纯Pd 纳米片相比，Table 2Electrochemical performance of 2D metal nanomaterials for various electrocatalytic reactions *Application ORR MOR &EOR HER &OER CO 2ER NRR Material PdMo bimetallene PtPb@Pt nanoplates Pd@Pt monolayer nanosheets 5monolayers Pd nanosheets Intermetallic PtBi nanoplates PtBi nanoplatelets Pt nanosheets/RGOPtPb@Pt nanoplates PtCu nanosheetsPd⁃Pt⁃Ag nanosheets Partially hydroxylated Ir nanosheets Amorphous Ir nanosheets Ir nanosheets assembly Ru nanosheets RuCu nanosheets PtAgCo nanosheets Graphene confined Sn quantum sheets Bi nanosheetsPartially oxidized Co nanosheets Rhodium nanosheet Bi nanosheets Electrolyte 0.1mol/L KOH 0.1mol/L HClO 40.1mol/L HClO 40.1mol/L KOH 0.1mol/L HClO 40.5mol/L HClO 4+0.5mol/L CH 3OH 0.5mol/L H 2SO 4+0.5mol/L CH 3OH 0.1mol/L HClO 4+0.1mol/L CH 3OH 0.5mol/L H 2SO 4+0.1mol/L CH 3CH 2OH 0.1mol/L KOH+0.5mol/L CH 3CH 2OH 0.5mol/L H 2SO 41mol/L KOH0.1mol/L HClO 41mol/L KOH 0.1mol/L HClO 40.5mol/L H 2SO 41mol/L KOH0.5mol/L H 2SO 40.5mol/L H 2SO 40.1mol/L NaHCO 30.5mol/L NaHCO 30.1mol/L Na 2SO 40.1mol/L KOH0.1mol/L Na 2SO 4Catalytic performance Mass activity ：（16.37±0.60）A/mg Pd Specific activity ：11.64mA/cm 2（@0.9V vs.RHE ）Mass activity ：4.3A/mg PtSpecific activity ：7.8mA/cm 2（@0.9V vs.RHE ）Mass activity ：0.717A/mg PtSpecific activity ：0.438A/cm Pt2（@0.9V vs.RHE ）Mass activity ：8.07A/mg PdSpecific activity ：10.91mA/cm 2（@0.9V vs.RHE ）Mass activity ：1.04A/mg Pt （@0.85V vs.RHE ）470mA/mg Pt 0.73mA/cm 2（@0.67V vs.Ag/AgCl ）1.5A/mg Pt ，2.7mA/cm 22.97mA/cm 21.34A/mg ηOER =328mV @10mA/cm 2OER Tafel slope ：45.4mV/dec ηOER =266mV @10mA/cm 2OER Tafel slope ：29.1mV/dec ηOER =255mV @10mA/cm 2OER Tafel slope ：40mV/dec ηOER =242mV @10mA/cm 2ηOER =276mV @10mA/cm 2ηHER =20mV @10mA/mg HER Tafel slope ：46mV/dec ηHER =20mV @10mA/cm 2ηOER =234mV @10mA/cm 2ηHER =19mV @10mA/cm 2ηOER =236mV @10mA/cm 2705mA/cm 2（@-0.4V vs.RHE ）89%FE for formate （@-1.8V vs.SCE ）95%FE for formate （@-1.5V vs.SCE ）90.1%FE for formate （@-0.85V vs.SCE ）23.88mg·h -1·mg cat -1（@-0.2V vs.RHE ）（2.54±0.16）µg·h -1·cm -2and （10.46±1.45）%FE forNH 3（@-0.8V vs.RHE）Ref.［128］［129］［105］［164］［77］［132］［92］［129］［67］［89］［146］［147］［66］［165］［79］［166］［157］［158］［85］［70］［163］*η：Overpotential ；FE ：Faradaic efficiency.464No.2皮业灿等：二维金属纳米材料的合成及电催化应用的研究进展PdMo 合金纳米片的ORR 性能也有明显的提升，表明Mo 引入所形成的合金效应对Pd 纳米片的ORR 催化性能具有很好的促进作用.Bu 等［129］在合金纳米片的基础上进一步引入核壳结构的概念，设计合成了一种以PtPb 为核，Pt 为壳的PtPb@Pt 纳米片（图10）.该纳米片具有规则的六边形结构，且壳层暴露出来的晶面为Pt （110）.电化学测试的结果表明，PtPb@Pt 纳米片在酸性条件下（0.1mol/L HClO 4溶液）表现出优异的ORR 催化活性，其在0.9V （vs.RHE ）时的面积活性高达7.8mA/cm 2，分别为PtPb 纳米颗粒以及商业Pt/C 催化剂的4.1倍和33.9倍.不仅如此，得益于表面Pt 壳的保护作用，PtPb@Pt 纳米片还表现出优异的催化稳定性.经过50000次循环伏安的扫描后，PtPb@Pt 纳米片的质量活性仅降低了7.7%.而相同条件下，商业Pt/C 催化剂的质量活性则降低了66.7%.进一步的研究表明，PtPb@Pt 纳米片中PtPb 核的作用使得Pt 壳层中的［001］和［110］方向上分别存在一定的拉伸应变和压缩应变，这种晶格应力的调控作用导致Pt （110）面中的桥式位点（Bridge sites ）具有接近理想情况下的Pt —O 键结合强度，因此在ORR 中表现出比商业Pt 催化剂更高的催化活性.2.2甲醇/乙醇氧化反应直接甲醇燃料电池（DMFC ）和直接乙醇燃料电池（DEFC ）是分别以甲醇或乙醇为燃料，通过电池反应将分子中的化学能转化为电能的装置.甲醇和乙醇等液体燃料具有能量密度高、产量丰富、成本低廉以及易于运输和贮存等优点，使得DMFC 和DEFC 成为未来十分有潜力的能量转换和利用技术［21，130，131］.DMFC 和DEFC 的阳极半反应分别对应的是甲醇氧化反应（MOR ）和乙醇氧化反应（EOR ），目前，通常采用贵金属Pt 和Pd 等作为催化剂.近年来，为了进一步提升催化剂的反应活性，同时降低其中贵金属的用量，研究开发了一系列具有超薄二维结构的Pt 基和Pd 基纳米材料作为高效的MOR 或EOR 催化剂［67，89，132~136］.Liao 等［132］合成了一种具有hcp 相结构的PtBi 纳米片材料，其平均厚度为6nm.该材料在MOR 中展现出优异的催化活性，其中质量活性（470mA/mg Pt ）约为商业Pt/C 催化剂（250mA/mg Pt ）的1.9倍.不仅如此，PtBi 合金相中的Pt —Pt 键由于Bi 原子的插入而变长，使得其与CO 中间物种的结合变弱，因而相比于纯Pt 表现出更好的抗CO 毒化能力和催化稳定性.与甲醇相比，乙醇毒性较低，运输和操作的安全性更高.但是，由于乙醇的完全氧化过程涉及碳碳键的断裂，因此具有更高的反应能垒［137，138］.Wang 等［67］设计合成了一种仅有4~6个原子层厚度的PtCu 合金纳米片（图11）.得益Fig.9Low⁃magnification HAADF⁃STEM image(A),high⁃magnification HAADF⁃STEM image(B)and EDSelemental mappings of PdMo bimetallene(C),ORR polarization curves(D)and a comparison of themass and specific activities in 0.1mol/L KOH at 0.9V(vs.RHE)(E)of the stated catalysts [128]Copyright 2019,Springer Nature.465。
二维mxene的合成与表征
二维mxene的合成与表征二维MXene的合成与表征一、引言二维MXene作为一种新型的二维材料，在能源存储、传感器和催化剂等领域具有广阔的应用前景。
本文将重点介绍二维MXene的合成与表征方法，以及其在实际应用中的潜力。
二、二维MXene的合成二维MXene的合成主要包括两个步骤：前驱物的选择和前驱物的剥离。
在前驱物的选择方面，常用的有MAX相（M代表过渡金属，A代表元素，X代表碳或氮）和离子液体等。
在前驱物的剥离过程中，一般采用酸处理的方法，如盐酸、硫酸等，以去除MAX相的A元素和X元素。
三、二维MXene的表征二维MXene的表征可以通过多种方法进行，包括X射线衍射（XRD）、扫描电子显微镜（SEM）、透射电子显微镜（TEM）等。
XRD可以用来确定MXene的晶体结构和晶格常数，SEM和TEM可以观察MXene的形貌和层状结构。
此外，还可以利用拉曼光谱、紫外可见吸收光谱等方法对MXene的光学性质进行研究。
四、二维MXene的应用潜力二维MXene具有优异的电导率、机械强度和化学稳定性，因此在能源存储领域有着广泛的应用潜力。
例如，二维MXene可以作为电极材料用于超级电容器和锂离子电池，具有高电容量和长循环寿命。
此外，二维MXene还可以用于传感器和催化剂，显示出优异的性能。
五、结论二维MXene作为一种新型的二维材料，在合成与表征方面已经取得了重要进展。
通过合适的前驱物选择和剥离方法，可以得到高质量的二维MXene材料。
通过多种表征方法，可以对二维MXene的结构和性能进行深入研究。
此外，二维MXene还具有广泛的应用潜力，特别是在能源存储、传感器和催化剂等领域。
我们对二维MXene的研究还有很多待发掘的领域，相信在不久的将来，二维MXene将会在各个领域展现出更加广泛的应用。