AFM | 二維材料MXene的光電轉(zhuǎn)換與儲能進展

研究背景

隨著技術(shù)的迅速發(fā)展和對石墨烯等二維材料光電性質(zhì)的發(fā)現(xiàn)，人們對除石墨烯之外的其他二維平面材料的研究越來越引起關(guān)注。這些材料包括過渡金屬硫化物、碳氮化物、氮化硼等。這些二維材料的概念是指它們可以使制造的設(shè)備微型化到幾乎原子尺度，并且可以提供非凡的性能。然而，這些材料的研究面臨著一些問題，包括如何有效地制備它們以及如何充分利用它們的特性。

研究內(nèi)容

為了解決這些挑戰(zhàn)，近日西班牙巴斯克材料、應(yīng)用和納米結(jié)構(gòu)中心Samrana Kazim教授和Shahzada Ahmad教授們進行了大量的研究和綜述，其中包括發(fā)現(xiàn)新的二維材料、改進制備方法、探索其性質(zhì)以及尋找其潛在應(yīng)用。其中，MXenes的發(fā)現(xiàn)是一個重要的里程碑，這是一類具有優(yōu)異性能的二維過渡金屬碳化物、碳氮化物和氮化物。本綜述著重解決了MXenes作為一種新興材料所面臨的挑戰(zhàn)和機遇。它對MXenes的合成、性質(zhì)和應(yīng)用進行了全面的總結(jié)，以揭示其在能源和其他領(lǐng)域的潛在應(yīng)用。綜述中介紹了MXenes的來源、合成方法、性質(zhì)以及各種潛在應(yīng)用。通過對MXenes的深入探討，本綜述為進一步研究和應(yīng)用MXenes提供了重要的指導和啟示。

圖文導讀

為了系統(tǒng)性地總結(jié)MXenes作為新興材料的研究進展、性質(zhì)和潛在應(yīng)用，本綜述進行了綜合性的分析和總結(jié)。在綜述中，圖1至圖22展示了MXenes在不同方面的研究進展和應(yīng)用。首先，在圖1中，MXene的結(jié)構(gòu)和不同組成的示例被詳細呈現(xiàn)，包括MXene的基本結(jié)構(gòu)、不同元素組成的示例以及其可能的排列方式。這為我們提供了對MXene的基本了解，為后續(xù)的討論奠定了基礎(chǔ)。接下來，在圖2中，展示了MXenes在各種領(lǐng)域的潛在應(yīng)用，包括光伏器件、能源存儲、超級電容器、電磁干擾屏蔽、光電二極管等。這表明MXenes具有廣泛的應(yīng)用前景，并且在解決能源和環(huán)境問題方面具有重要作用。此外，在圖3至圖22中，展示了MXenes在各種應(yīng)用中的具體效果和作用。例如，圖19展示了MXenes在鈉離子插層和去除循環(huán)中的反應(yīng)機制，圖21展示了MXenes與其他物質(zhì)的結(jié)合方式，以及在催化和光電性能方面的應(yīng)用。這些圖表提供了對MXenes在各種應(yīng)用中的實際效果和作用的直觀認識。相關(guān)圖文結(jié)果如下：

圖 1 | MXene的結(jié)構(gòu)和迄今為止報告的成分。

a)帶有幾個實驗證實的組成的MXene結(jié)構(gòu)的示意圖。

2D MXene具有Mn + 1XnTx的一般公式，其中M是過渡金屬，X是碳和/或氮，而Tx代表表面終止基團。公式中的n值可以從1到4不等，這取決于M層和X層的數(shù)量。MXene的M位點可以被一個或多個過渡金屬原子占據(jù)，形成固溶體（表B中的淺金色）或有序結(jié)構(gòu)（表B中的灰色）。有序雙過渡金屬MXene出現(xiàn)為平面有序結(jié)構(gòu)[i-MXene，例如，（Mo1.3Y0.6）CTx]；平面空位結(jié)構(gòu)（例如，W1.3CTx）；和垂直有序結(jié)構(gòu)（o-MXene），在此結(jié)構(gòu)中，M′′過渡金屬的一層夾在兩層M′過渡金屬之間（例如，Mo2TiC2Tx）或者兩層M′′過渡金屬夾在兩層M′過渡金屬之間（例如，Mo2Ti2C3Tx）。有序雙空位結(jié)構(gòu)僅在M2C MXene中觀察到。這種結(jié)構(gòu)導致每個M層中的三分之一的所有原子位置都為空缺，從而產(chǎn)生M4/3C組成（這些組成在表B中標記為深金色）。在M5X4結(jié)構(gòu)中，可能存在其他配置，其中M′′層位于M′層之間，可能有一層或三層。仍在等待實驗確認的預(yù)測結(jié)構(gòu)，例如更高階的單M或o-MXene和高熵MXene，通過底部圖像模糊表示。b)迄今為止報告的MXene組成的示例。該表包括MXene的實驗探索組成（橙色突出顯示）和理論研究組成（綠色表示）（M = 2,3,4）。

圖 2 | MXene的潛在應(yīng)用。

圖 3 | 2D-MXene在鈣鈦礦太陽能電池中誘導改良性能的應(yīng)用。

圖 4 | 關(guān)于S-Q極限的最高效率太陽能電池的光伏參數(shù)，包括a）JSC，b）VOC和c）FF。

圖 5 | a）建議的鈣鈦礦薄膜的成核和生長路徑。b）具有不同Ti3C2Tx量的PSC的J-V曲線。

圖 6 | 在PbI2中助劑為Ti3C2Tx的兩步法制備高質(zhì)量鈣鈦礦薄膜的建議策略。

圖 7 | a）環(huán)繞次級電子截止的UPS光譜，b）價帶（VB）區(qū)域的UPS光譜，c）未摻雜和MXene摻雜鈣鈦礦的能級圖至EFerm。e）器件的EQE光譜，d）器件反向掃描的J-V曲線。

圖 8 | a）Ti3C2 QDs修飾的基于不同ETL的PSC的J-V曲線，b）基于Ti3C2–TiO2 ETL的Ti3C2 QDs修飾的PSC的FS和RS J-V曲線，c）建議的器件架構(gòu)。

圖 9 | MAPbBr3和Ti3C2Tx納米片之間的能帶對準和能量傳輸過程的建議方案。

圖 10| a）通過EIS分析測量的Nyquist圖，b）控制器件的電子設(shè)備中電子-只有器件的雙對數(shù)J-V特性，具有FTO / TiO2 /鈣鈦礦/ PCBM / Ag結(jié)構(gòu)，c）環(huán)境的器件架構(gòu)。d）PSC的器件結(jié)構(gòu)，e）橫截面SEM圖像，f）每個層的示意能級圖。

圖 11| （a）建議的鈣鈦礦薄膜的成核和生長路徑。b）具有不同Ti3C2Tx量的PSC的J-V曲線。

圖 12| a）平面PSC的示意圖，b）在正向和反向掃描下最佳PSC器件的J-V曲線，c）穩(wěn)定的穩(wěn)態(tài)功率輸出。經(jīng)許可重印。 d）基于MXene的平面PSC的示意圖，e）能帶圖。

圖 13|設(shè)備的能帶間隙和在界面處的載流子傳輸機制。

圖 14| a）器件架構(gòu)，b）器件的橫截面SEM圖像，c）每個層的示意能級圖。d）配置e）橫截面SEM圖像和f）冠軍器件的J-V反向曲線。

圖 15 | a）器件配置，b）器件的橫截面SEM圖像，c）能帶圖。

圖 16| a）所提出器件的橫截面SEM圖像，b）能帶圖，c）器件的制備協(xié)議。

圖 17| a）W2HfC2O2的電子能帶結(jié)構(gòu)，不考慮（頂部）和考慮自旋-軌道耦合（底部）。圖中還顯示了每個組分元素具有不同軌道對稱性的能帶結(jié)構(gòu)。Fermi能位位于0能量處。b）LB-Ti3C2Tx制備的示意圖。首先進行Lewis堿（LB）鹵化物處理，然后通過脫溶的Na+和K+將Ti3C2Tx插層，從而增加層間間隔，并且表面的-F終止被脫溶的鹵素陰離子替換。c，d）多層Ti3C2Tx和LB-Ti3C2Tx的SEM圖像，顯示增加的層間間距。

圖 18| a) 三維打印獨立MXene結(jié)構(gòu)的加工策略示意圖。b) 由3D打印制作的MOx-Mxene/S電極的制備過程示意圖。

圖 19| a) 示意圖顯示Na+插層到Ti3C2Tx的層間間隙的機制。b) 在第一個Na+離子插層和去除循環(huán)期間選擇的電池電壓下的V2CTx的原位硬X射線吸收近邊光譜（XANES）譜圖；c) 捕獲XANES譜圖的第一個Na+離子插層和去除循環(huán)的電壓特性；d) 從XANES譜圖中選擇的電池電壓的V邊緣能量變化，顯示MXene中V的可逆氧化態(tài)變化。

圖 20| a) 低放大率和b) 高放大率掃描電子顯微鏡（SEM）圖像顯示a-Ti3C2納米帶（MNRs）。c) a-Ti3C2 MNRs的透射電子顯微鏡（TEM）圖像。d–f) a-Ti3C2 MNRs的高分辨透射電子顯微鏡（HRTEM）圖像：d）從c）中的位置A拍攝的單個MNR，e）從c）中的位置B拍攝的扭曲的MNR，f）平坦的MNR。

圖 21 | a) SEM和b) TEM圖像顯示ex-Ti3C2納米片。c) PDDA-NPCNs的TEM圖像。d) PDDA-NPCN/Ti3C2的SEM和e) TEM圖像；以及f) PDDA-NPCN/Ti3C2的電子衍射圖案。g) EDS譜圖。h) PDDA-NPCN/Ti3C2的HAADF-STEM圖像及相應(yīng)的Ti、C和N元素的元素分布圖像。i) PDDA-NPCN/Ti3C2的AFM圖像和厚度剖面。經(jīng)許可重印。j) o-P-CoTe2/MXene的制備路線示意圖。k) MXene的SEM圖像；l) 六角形（h）-CoTe2/MXene；和m) 正交P摻雜的o-P-CoTe2/MXene。

圖 22 | a) 3D打?。?DP）-MXene陣列-Li/LFP、3DP-MXene格子-Li/LFP和Cu-Li/LFP在從0.2到30 C的充放電速率下的速率性能；在不同電流密度下的b) 10 C和c) 30 C的充放電電壓曲線。d) 3DP-MXene陣列-Li/LFP的循環(huán)性能和嵌入圖中的典型電壓曲線。

結(jié)論展望

本文深入研究了MXenes在能量存儲和光電子器件中的廣泛應(yīng)用，特別是在鈣鈦礦太陽能電池（PSCs）和電化學能量存儲方面。首先，MXenes作為一類二維材料，具有多樣的功能化基團和可調(diào)性，使其在各種應(yīng)用中表現(xiàn)出色。在PSCs中，MXenes表現(xiàn)出優(yōu)越的性能，能夠改善光伏器件的穩(wěn)定性和效率。其高電導性、層狀結(jié)構(gòu)和高比表面積使其成為PSCs中理想的添加劑和界面材料。通過對不同表面終止基團的選擇和對MXene進行功能化，可以調(diào)節(jié)其與鈣鈦礦表面的相互作用，從而進一步優(yōu)化PSCs的性能。其次，本文強調(diào)了MXene在電化學能量存儲領(lǐng)域的潛在應(yīng)用。MXenes展現(xiàn)出優(yōu)異的電化學性能，可作為電極材料應(yīng)用于電池和超級電容器中。通過調(diào)節(jié)MXene的表面終止基團和引入異質(zhì)結(jié)構(gòu)，可以改善其電池性能，提高儲能容量、速率性能和循環(huán)穩(wěn)定性。然而，對于實現(xiàn)MXene在大規(guī)模應(yīng)用中的障礙，仍需解決其合成成本和膠體懸浮液制備的問題。第三，本文指出MXene的獨特性質(zhì)為多個領(lǐng)域帶來了豐富的應(yīng)用前景。MXenes在催化、環(huán)境保護和生物醫(yī)學方面也展現(xiàn)出了巨大的潛力。其高導電性、層狀結(jié)構(gòu)和豐富的表面化學性質(zhì)使其能夠應(yīng)用于多種場景，如電催化、電磁屏蔽、光電探測和生物傳感等。最后，本文指出了MXene領(lǐng)域面臨的一些挑戰(zhàn)和未來的研究方向。例如，需要進一步探索不同來源的MXenes，以拓寬其應(yīng)用范圍。在大規(guī)模自組裝方面，引入智能方法如機器學習和神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)可以加速新型MXene的發(fā)現(xiàn)和優(yōu)化。

該工作發(fā)表在Advanced Functional Materials上

文章鏈接（點擊“閱讀原文”）：https://doi.org/10.1002/adfm.202315694

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