标题：MXenes as Superexcellent Support for Confining Single Atom: Properties, Synthesis, and Electrocatalytic Applications

第一作者：Mingming Zhang

通讯作者：Cui Lai，Danlian Huang

研究内容：单原子催化剂(SACs)以其特殊的选择性、高的催化性能和较强的持久性，逐渐成为催化领域的新宠。在SACs的合成中最重要的因素是适当的载体的选择和金属-载体相互作用的形成。在众多的纳米材料中，MXenes由于其膨胀的比表面积、可调节的带隙、优越的电子导电性和强的机械稳定性，可以作为固定SACs的良性支撑。MXenes的结构和性能可以通过改变过渡金属元素和表面终止来控制。本文从结构和性能两个方面分析了MXenes作为约束SACs的优异支撑材料的独特性和优越性。综述了MXene-supported SACs的合成策略，特别强调了利用强大的金属-载体共价配位相互作用来固定孤立原子以对抗聚集。此外，重点介绍了Mxene负载的SACs在电催化领域的应用，包括析氢反应、析氧反应、整体水裂解、氧还原反应和氮还原反应。最后指出了Mxene负载SACs在电催化领域的进一步研究和实际应用所面临的挑战和前景。

图1.(a) MXenes的代表性层状结构，MXenes可分为三种类型:M₂X、M₃X₂和M₄X₃，金属原子晶格可由单一金属(Mono-M元素)、不同金属的混合物(Solid-Solution M金属)和有序双金属(Ordered double-M元素)拟合;(b) MAX相的体块结构;(c)制作的2D M₂X MXenes的俯视图和侧视图，A和B代表中空的位置;(d)获得的M₂X层的俯视图和侧视图;表面端接MXenes的(e)模型2和(f)模型4的俯视图和侧视图，功能化MXene系统的模型的俯视图和侧视图;(g)模型1,(h)模型2,(i)模型4，其中灰色、绿色和红色球分别表示碳/氮原子、过渡金属和附着的表面官能团的位置。

图2.(a)分层的解释;(b) MXene Ti₃C₂T_X俯视图;(c) Ti₃C₂T_X通过其核心结构建立的曲折和扶手椅方向，其中范德华球代表C原子，而Ti和O原子通过棒子显示;(d)绝对表面功能化Ti₃C₂T_X的拉伸应力-应变曲线;(e)裸Ti₃C₂T_X在z字形或扶手椅方向变形下的拉伸应力-应变曲线;(f)杨氏模量，(g)断裂伸长率，(h) MXene Ti₃C₂T_X的拉伸强度图，在扶手椅方向下绘制各种表面终止覆盖;(i)不同表面终止覆盖率(0%、20%、40%、60%、80%和100%)的Ti₃C₂T_X俯视图。灰色、红色和深灰色分别代表Ti、O和C原子。

图3.(a) Ru_SA-N-S-Ti₃C₂T_X的合成机理；(b) Ru SA/ N-Mo₂C超薄纳米片电催化剂；(c) SA Ru-Mo₂CT_X;(d) Ru SA/Ti₃C₂T_X催化剂。

图4.(a)裸碳纸(CP)、Ti₃C₂T_X、N-S-Ti₃C₂T_X、RuSA-Ti₃C₂T_X、Pt和RuSA-N-S-Ti₃C₂T_X样品在0.5 M H₂SO₄中测量的极化曲线。插图:RuSA-N-S-Ti₃C₂T_X的HER极化曲线放大图；(b)对应的Tafel图；(c)在0.5 M H₂SO₄中，RuSA-N-S-Ti₃C₂T_X催化剂在10mA·cm⁻²条件下的长期稳定性；(d)在0.5M NaOH电解液中，4000 CV循环前后RuSA-N-S-Ti₃C₂T_X催化剂在η=−100 mV (vs RHE)下的EIS光谱；(e)在0.5 M Na₂SO₄电解液中，1000 CV循环前后Ru_SA-N-S-Ti₃C₂T_X催化剂在η=−300 mV (vs RHE)下的EIS光谱;(f) Ru_SA-N-S-Ti₃C₂T_X电催化剂在0.5 M NaOH电解液中4000 CV循环前后的极化曲线;(g) Ru_SA-N-S-Ti₃C₂T_X催化剂在0.5 M Na₂SO₄电解液中1000 CV循环前后的极化曲线;(h)构建的N-S-Ti₃C₂T_X、Ru_SA-Ti₃C₂T_X、Ru_SA-N-Ti₃C₂T_X和Ru_SA-N-S-Ti₃C₂T_X样品的吉布斯氢吸附自由能;(i)总态密度(TDOS)。

图5.(a)Mo₂CT_X: Co K-edge EXAFS谱的相位未校正傅里叶变换比较:Co和Co, CoO, Co₃O₄标准物质;(b) Mo₂CT_X:Co结构示意图(左)和用于拟合得到的EXAFS数据的Mo₂CT_X:Co中钴的配位环境的两个投影(右);(c) Mo₂CT_X:Co的Co K-edge EXAFS函数的相位非校正傅里叶变换及其拟合，采用面板(b)中显示的模型;(d) EXAFS中使用的单一散射路径;(e) Mo₂CT_X:Co和Mo₂CT_X在10 mV·s⁻¹扫描速率下的极化曲线。插图图像是两种催化剂在0.1mg·cm⁻²负载时均保持在1 mA·cm_geo⁻²;(f)制备催化剂的Tafel斜率;(g)电化学活性表面积;(h) HER测试前后Mo₂CT_X:Co核心的Mo 3d光谱；(i) Mo₂CT_X:Co在HER反应前后的归一化Co k-edge XANES光谱;(j) HER反应前后Mo₂CT_X<span