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?北航AEM: 超快合成富空位MXene，可作為單原子有效載體促進(jìn)催化反應(yīng)

二維過渡金屬碳化物、氮化物或碳氮化物(MXenes)是近幾十年發(fā)展起來的一類明星材料，通常是通過從MAX相中選擇性地去除A層來合成的。除了可調(diào)的組成和結(jié)構(gòu)之外，MXenes還具有原子層厚度，甚至在選擇性刻蝕之后產(chǎn)生有序的空位，表現(xiàn)出可調(diào)的電性能、親水/疏水表面和優(yōu)異的機(jī)械強(qiáng)度。目前MXenes主要是通過液相和熔鹽刻蝕方法合成，但由于生產(chǎn)時(shí)間過長，導(dǎo)致MXenes表面終端不可避免的發(fā)生變化，甚至MXenes發(fā)生氧化。因此，需要開發(fā)合適的策略來直接快速合成MXenes。

近日，北京航空航天大學(xué)楊樹斌和杜志國等提出了一種在高溫金屬氯化物(ZnCl₂)蒸氣中選擇性刻蝕MAX相(Ti₂AlC)快速制備MXenes (Ti₂CCl_x)的方法。在這種合成方法中，具有高化學(xué)活性的金屬氯化物蒸氣可以與MAX相的層間A層反應(yīng)，導(dǎo)致反應(yīng)體系中含氯化物的氣態(tài)A的快速脫除，時(shí)間僅為5分鐘；同時(shí)，MX片晶格中的M位原子可以被可控地刻蝕出來，形成金屬空位，這些金屬空位具有很強(qiáng)的還原能力，可以從ZnCl₂蒸氣中得到Zn單原子；最后通過高溫?fù)]發(fā)得到了富空位的MXene。值得注意的是，腐蝕時(shí)間不到液相和熔鹽腐蝕方法的六十分之一。

此外，所制備的MXenes可以作為一個(gè)高效的單原子Pt載體(Ti₂CCl_x-Pt_SA)，其與Pt單原子形成的化合物在酸性條件下僅需41 mV的HER過電位就能產(chǎn)生10 mA cm^?2的電流密度；并且，其使經(jīng)過5000個(gè)CV循環(huán)后，電流密度無明顯衰減，顯示優(yōu)異的長期穩(wěn)定性。理論計(jì)算表明，Ti₂CCl_x-Pt_SA表現(xiàn)出最佳的氫吸附自由能(0.016 eV)，有利于發(fā)生氫吸附-解吸過程；同時(shí)，Ti₂CCl_x-Pt_SA在費(fèi)米能級附近具有更高的占據(jù)態(tài)，導(dǎo)致高電導(dǎo)率和良好的電催化活性。

此外，該項(xiàng)工作所提出的MXene快速生產(chǎn)方法可以提供許多可能性，通過利用選定的氣體和蒸汽，合成具有可調(diào)節(jié)的成分、豐富的表面化學(xué)和定制的電學(xué)性質(zhì)的多樣化MXene，有利于它們隨后在電子學(xué)、電磁干擾屏蔽、微波吸收、能量存儲和轉(zhuǎn)換等方面的功能化。

Minutes‐fast production of vacancy‐enriched MXenes as an efficient platform for single‐atom electrocatalysts. Advanced Energy Materials, 2024. DOI: 10.1002/aenm.202304149.

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