电子科大向全军教授J. Phys. Chem. Lett.丨MXene基光催化材料

本文主要由论文第一作者程蕾撰写。在此，特别感谢电子科技大学向全军教授团队的大力支持。

近年来，随着社会经济的快速发展，能源短缺和环境污染等问题也日益严重。半导体光催化技术作为一门新兴技术，不仅能够光催化分解水产氢作为清洁能源，而且还可以光催化降解污染物，越来越受到人们的普遍关注。然而，制备高效且稳定的光催化材料仍面临巨大挑战。在过去的十年中，科学家们已经探索和发现了各种新型光催化材料，如C3N4、石墨烯等。显然，自然界中还存在着许多具有独特结构和优异性能的光催化材料还亟待发现，如MXene，一种具有2D层状结构的新型过渡金属碳化物或碳氮化物材料，目前已成为光电催化领域的研究热点。

近日，电子科技大学向全军教授团队就关于二维过渡金属MXene基光催化剂的太阳能源转化方面的应用进行总结和分析。该综述总结了2D MXene基光催化材料在太阳能燃料转换方面取得的最新进展。作者阐述了2D MXene基光催化材料在用于光催化过程中的合理设计与构建。此外，作者还详细分析了2D MXene在光催化过程中所起到的重要作用。最后，作者对2D MXene和MXene基光催化剂的改进和优化作了进一步展望与讨论。

本文亮点

✦ 总结了关于如何设计和构建高性能的2D MXene基光催化材料。

✦ 分析了2D MXene在光催化过程中所起到的重要作用，如作为官能团提供者，光生电子受体，基质和助催化剂等。

✦ 对2D MXene和MXene基光催化剂的改进和优化作了详细讨论。

MXene由于具有可控的元素组成，规则的二维层状结构以及优异的导电性能，因此在电容器、电极电池和光电催化剂等方面具有巨大的潜在应用价值。如图1所示，自2012年开创性的2D过渡金属碳化物被报道以来，关于新型MXene材料的报道数量激增。作为半导体的MXene展现出独特的电子功能和金属导电性。 另外，通过从层状前驱体MAX相化学剥离“A”组层而获得的2D MXene可以暴露出各种官能团，如-O，-OH和-F等。因此，2D MXene或MXene基光催化剂的合理设计和制备越来越受到广泛关注。

Figure 1. (a) Number of annual journal publications retrieved using the “MXene” and “MXene and photocataly*” as a subject since 2012. (Adapted from ISI Web of Science; date of search: March 13, 2019). (b) Brief description of the overall content of 2D transition metal MXene-based photocatalysts.

文章总结了关于设计和构建用于太阳能转换的高性能MXene基光催化剂。通过化学液相蚀刻法或陶瓷机械剥离法，从MAX相中获得了2D MXene。由于具有高质量的二维层状结构，MXene展现出较高的比表面积和丰富的活性吸附位点，从而有效地实现与其他光催化剂的界面接触并促进其相互作用。

Figure 2. Schematic of photocatalytic mechanism for solar energy conversion over 0D/2D MXene-based photocatalysts under visible light irradiation.

MXene因具有与石墨烯类似的二维层状结构，且具有选择性的元素组成，可调控的能带间隙以及表面暴露的丰富官能团等特性使得其成为光电催化领域研究热点，但其本身的光吸收范围较窄，不能有效利用更多可见光和不可控的光催化稳定性等因素也限制了它的应用范围。多数研究表明，2D MXene在与其他催化剂复合时可以有效地提高MXene基光催化体系的光催化效率。文章分析了MXene在MXene基光催化体系中的光催化机理，分别讨论了MXene在0D/2D，2D/2D和3D/2D MXene基光催化体系中的作用，如图2和图3所示。

Figure 3. Schematic of photocatalytic mechanism for solar energy conversion over 2D/2D MXene-based photocatalysts under visible light irradiation.

DFT理论计算表明，与多层2D MXene相比，少层或单层的2D MXene具有更少的原子层，更小的密度和更大的比表面积，这些特性都有利于获得更优异的电性能和活性站点。文献报道通过剥离，插层或超声波剥离等方法可获得少层或单层2D MXenes，实验过程采用SEM, TEM, EELS, HAADF-STEM, HRTEM, FTIR, XPS等一系列测试手段进行表征，通过将理论计算与实际实验相结合，可实现少层或单层2D MXenes的合理设计和制备，为制备高质量单层MXenes提供新的发展方向。

为确定2D MXene材料在光催化过程中对体系光催化性能的具体作用，作者详细讨论了MXene在光催化应用中扮演的角色，如官能团提供者，光催化电子受体，基底和助催化剂等，以进一步了解其中的光催化机制，如图4所示。

Figure 4. Description of MXene in photocatalytic application as functional group provider for desirable surface adsorption.

最后，作者还指出虽然 MXene作为光电催化领域的新材料，但对其未知的物理和化学性质还需进一步探索发现，特别是在光催化应用方面仍处于起步阶段。探究和制备用于太阳能燃料转化和环境净化等方面的高效MXene基光催化剂仍是科学家们需要攻克的难题。

文章题目：Two-Dimensional Transition Metal MXene-Based Photocatalysts for Solar Fuel Generation.

J. Phys. Chem. Lett, 2019, 10, 3488-3494. DOI: 10.1021/acs.jpclett.9b00736.

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