二維MXenes的制備及催化產氫性能研究進展

姚 峰 ， 卞琳艷 ， 范燕平 ， 馬名杰

(河南理工大學 化學化工學院 ， 河南 焦作 454003)

0 前言

2004年，英國曼徹斯特大學的NOVOSELOV等[1]從高定向熱解石墨中剝離出僅由一層碳原子構成的薄片，這種具有獨特結構材料被命名為石墨烯。自石墨烯問世以來，多種類石墨烯的二維材料相繼被合成出來，成為相關領域的熱門話題，如圖1所示[2]。這些橫向尺寸大、晶體質量高的二維材料具備特殊的物理、化學、電子和光學特性使其在儲能、催化、吸附等領域中表現突出[3-7]。

圖1 不同類型的二維材料示意圖

合成MXene的前驅體為金屬陶瓷相材料MAX。MAX和MXene的原子結構示意圖如圖2所示[13]。一般通過選擇性刻蝕掉MAX相中位于MX原子層中的A層原子，得到二維MXene材料，MAX相中的A元素對應著元素周期表中第Ⅲ、第Ⅳ主族元素。在MAX的晶體結構中，M—A鍵的結合能要低于M—X鍵，所以相對來說A層原子更容易被刻蝕掉，從而得到二維層狀結構的MXene材料。M和X原子的多樣性決定了MXene可以由多種不同元素組成，具有結構、性能可調節的特性[14]。MXene具有的獨特元素組成和表面官能團使其同時具備金屬性、親水性以及表面官能團可調控性，在催化、儲能、吸附、電磁屏蔽、化學傳感等領域表現出廣闊的發展前景。

圖2 MAX相與對應MXene的結構示意圖

1 MXene制備方法

1.1 氫氟酸刻蝕

氫氟酸刻蝕法制備MXene是目前最常見的合成方法，最初由研究者等在室溫下使用50%氫氟酸選擇性刻蝕掉Ti3AlC2中的Al層，得到了Ti3C2，反應的過程如圖3所示[8]。反應過程按照下面的反應步驟進行：

(1)

(2)

圖3 HF刻蝕MAX相得到MXene的原子示意圖