近年來，MXene二維材料憑借其優(yōu)異的導(dǎo)電性、高比表面積和豐富的表面官能團(tuán)，在催化、電化學(xué)儲能、傳感器等領(lǐng)域展現(xiàn)出巨大的應(yīng)用潛力。為了進(jìn)一步提升MXene的性能，研究者們嘗試將各種組分，如有機(jī)分子、聚合物、金屬和半導(dǎo)體材料等，與MXene進(jìn)行復(fù)合，形成MXene復(fù)合材料。然而，傳統(tǒng)的溶液法合成MXene復(fù)合材料存在MXene氧化和納米顆粒團(tuán)聚等問題，限制了其應(yīng)用。因此，開發(fā)一種綠色、高效的MXene復(fù)合材料合成方法具有重要意義。
針對上述問題，韓國科學(xué)技術(shù)院（KAIST）Hee-Tae Jung等提出了一種無需溶液的MXene基復(fù)合雜化納米結(jié)構(gòu)合成方法，利用快速焦耳加熱技術(shù)克服了傳統(tǒng)溶液法在合成過程中MXene氧化的缺點(diǎn)。通過向MXene基材上加載前驅(qū)體并施加快速熱沖擊，成功合成了包含Pt、Co、Cu、Ni、Fe、Pd及其合金等多種成分的MXene復(fù)合雜化納米結(jié)構(gòu)。實(shí)驗結(jié)果顯示，快速焦耳加熱技術(shù)具有多方面優(yōu)勢，包括最小化MXene氧化、雜化成分分布均勻無嚴(yán)重團(tuán)聚、以及多元合金合成均勻性。研究通過合成的Pt-MXene納米復(fù)合材料展示了該方法的有效性，該復(fù)合材料在氫析出反應(yīng)（HER）中表現(xiàn)出優(yōu)異的電催化活性和穩(wěn)定性。這一技術(shù)不僅保留了MXene的獨(dú)特性質(zhì)，還適用于多種應(yīng)用場景，特別是在MXene復(fù)合材料的協(xié)同效應(yīng)能夠帶來性能顯著提升的領(lǐng)域。
1. 無溶液合成法: 采用快速焦耳加熱技術(shù)，避免了傳統(tǒng)溶液法中MXene氧化和納米顆粒團(tuán)聚的問題，保留了MXene的優(yōu)異性能。
2. 均勻分散: 實(shí)現(xiàn)了金屬納米顆粒在MXene表面的均勻分布，避免了團(tuán)聚現(xiàn)象，提高了材料的電催化活性。
3. 多元素合金合成: 成功合成了二元、三元、四元、五元和六元金屬合金納米顆粒，為MXene復(fù)合材料的性能調(diào)控提供了更多可能性。
4. 優(yōu)異的HER催化性能: 合成的Pt-MXene復(fù)合材料展現(xiàn)出優(yōu)異的析氫反應(yīng)催化活性，過電位低，穩(wěn)定性好，具有廣闊的應(yīng)用前景。
圖1 概述了利用快速焦耳加熱技術(shù)制備MXene納米復(fù)合材料的過程。研究主要采用Ti3C2Tx MXene，通過化學(xué)濕法蝕刻得到，并經(jīng)XPS驗證其表面富含含氧和氫氧基團(tuán)。該方法同樣適用于其他MXene材料，如Ti2CTx。MXene氣凝膠作為基底，因其高比表面積提供了豐富的活性位點(diǎn)以負(fù)載金屬納米顆粒。快速焦耳加熱技術(shù)通過施加高電脈沖迅速提升基底的溫度，持續(xù)時間僅為75毫秒。在此過程中，金屬前驅(qū)體沿基底表面遷移并在缺陷位點(diǎn)迅速沉積，從而在MXene表面形成均勻分布的金屬納米顆粒（NPs）。圖1B的TEM圖像顯示了Pt納米顆粒在Ti3C2Tx MXene上的均勻分布，并通過HRTEM和TEM-EDS映射驗證了Pt納米顆粒的存在和分布。
圖2 比較了快速加熱和傳統(tǒng)溶液處理方法制備的Pt-Ti3C2Tx MXene復(fù)合納米結(jié)構(gòu)的表面結(jié)構(gòu)和形貌?？焖偌訜岱ㄖ苽涞腜t納米顆粒表現(xiàn)出高度均勻分散，而溶液處理法則導(dǎo)致Pt納米顆粒在MXene表面嚴(yán)重聚集。此外，快速加熱法顯著減少了MXene的氧化，而溶液處理法則導(dǎo)致MXene氧化成TiO2。XPS和XRD分析進(jìn)一步證實(shí)了快速加熱法在合成過程中對MXene的保護(hù)作用，減少了氧化。
圖3 展示了快速加熱Pt-MXene作為電催化劑在HER中的性能?？焖偌訜酨t-MXene表現(xiàn)出低過電位和高催化活性，與商業(yè)Pt/C相比具有更高的質(zhì)量活性和更低的Tafel斜率。這歸因于Pt納米顆粒的均勻分布和MXene表面在合成過程中的保護(hù)，從而最大化了催化活性位點(diǎn)的暴露。此外，快速加熱Pt-MXene在長期穩(wěn)定性測試中顯示出優(yōu)異的穩(wěn)定性，遠(yuǎn)超過溶液處理的Pt-MXene。
圖4 展示了快速焦耳加熱技術(shù)合成的多種多元素金屬納米顆粒在MXene氣凝膠上的能力。通過調(diào)整金屬前驅(qū)體的比例，成功合成了從二元到六元合金的金屬納米顆粒，且合金中未觀察到明顯的相分離。HAADF-STEM和EDS映射圖像證實(shí)了合金納米顆粒的成功合成，表明該方法能夠合成廣泛的合金組合，同時保持MXene的最小氧化，為調(diào)節(jié)材料屬性提供了廣闊的空間。
總之，本研究提出了一種基于快速焦耳加熱技術(shù)的MXene復(fù)合材料合成方法，該方法能夠有效避免MXene氧化和納米顆粒團(tuán)聚，并實(shí)現(xiàn)金屬納米顆粒在MXene表面的均勻分布。研究表明，該方法合成的Pt-MXene復(fù)合材料展現(xiàn)出優(yōu)異的析氫反應(yīng)催化性能，其過電位低，穩(wěn)定性好。此外，該方法還可用于合成多元金屬合金納米顆粒，為MXene復(fù)合材料的性能調(diào)控提供了更多可能性。該研究為MXene復(fù)合材料的綠色、高效合成提供了新的思路，并有望推動其在催化、電化學(xué)儲能等領(lǐng)域的應(yīng)用。
