二維過渡金屬碳化物的催化應(yīng)用

I目錄

■CONTENTS

第一部分二維過渡金屬碳化物催化劑的合成方法...............................2

第二部分催化活性位點的調(diào)控策略............................................4

第三部分催化應(yīng)用中的結(jié)構(gòu)-活性關(guān)系.........................................6

第四部分氫能領(lǐng)域的產(chǎn)氫與析氫反應(yīng)..........................................9

第五部分碳減排領(lǐng)域的二氧化碳還原反應(yīng).....................................13

第六部分電化學(xué)儲能領(lǐng)域的ORR和0ER反應(yīng)..................................17

第七部分化學(xué)儲能領(lǐng)域的催化劑應(yīng)用.........................................19

第八部分未來發(fā)展趨勢與機遇...............................................23

第一部分二維過渡金屬碳化物催化劑的合成方法

關(guān)鍵詞關(guān)鍵要點

【化學(xué)氣相沉積(CVD)】：

1.薄膜生長技術(shù)，反應(yīng)氣體在襯底表面分解形成所需材

料。

2.可用于制備高質(zhì)量、大面積的二維過渡金屬碳化物薄

%

3.通過控制反應(yīng)溫度、壓力、氣流速率和催化劑前驅(qū)體的

濃度，可調(diào)節(jié)薄膜的結(jié)構(gòu)、形貌和電化學(xué)性能。

【液相合成】：

二維過渡金屬碳化物的合成方法

化學(xué)氣相沉積(CVD)

CVD法是二維過渡金屬碳化物合成中廣泛采用的方法。該方法涉及在

襯底上沉積前驅(qū)體氣體，并在高溫下將它們催化轉(zhuǎn)化為碳化物。

*直接CVD法：直接使用包含過渡金屬和碳前驅(qū)體的單一氣體，如乙

烘(C2H2)和六跋基鋁(Mo(CO)6)o

*金屬有機化學(xué)氣相沉積(MOCVD)法：使用金屬有機前驅(qū)體，如四

氯化鈦(TiCl4)知甲基環(huán)戊二烯基(Cp)o反應(yīng)氣體通常還包括碳

源氣體，如甲烷(CH4)O

分子束外延(MBE)

MBE法是一種超高真空技術(shù)，涉及通過加熱材料蒸發(fā)源來產(chǎn)生原子或

分子的單個束流。這些束流隨后沉積在襯底上形成薄膜。

*金屬蒸發(fā)法：使用金屬源(如鈦(Ti))和碳源(如乙怏(c2n2))

蒸發(fā)束流。

*分子束外延法(MBE)：使用金屬-碳復(fù)合前驅(qū)體(如四甲基鈦

(Ti(CH3)4))蒸發(fā)束流。

溶膠-凝膠法

溶膠-凝膠法涉及將過渡金屬前驅(qū)體和碳源溶液混合，形成均相溶膠。

然后將溶膠沉積在襯底上，形成凝膠，隨后在高溫下煨燒以形成碳化

物。

*單一步驟法：使用單一溶膠，同時包含過渡金屬和碳前驅(qū)體。

*兩步法：首先沉積金屬氧化物薄膜，然后在碳氣氛中進行熱處理形

成碳化物。

水熱法

水熱法涉及使用封閉的容器在高溫高壓條件下溶解反應(yīng)物。該方法通

常用于合成具有特定形態(tài)和結(jié)構(gòu)的二維過渡金屬碳化物。

*直接水熱法：直接使用過渡金屬和碳前驅(qū)體在水溶液中進行反應(yīng)。

*模板輔助水熱法：使用模板材料引導(dǎo)二維碳化物的生長，以獲得特

定的形態(tài)和結(jié)構(gòu)。

其他方法

激光誘導(dǎo)法：使用脈沖激光在碳源基底上燒蝕過渡金屬靶材，形成二

維碳化物。

電化學(xué)沉積：使用電解池，在陰極上沉積過渡金屬-碳復(fù)合物，隨后

在高溫下煨燒以形成碳化物。

機械剝離：從塊狀三維碳化物中剝離出二維薄片，使用膠帶或微米級

刀片等方法。

第二部分催化活性位點的調(diào)控策略

關(guān)鍵詞關(guān)鍵要點

主題名稱：電子結(jié)構(gòu)調(diào)挖

1.通過摻雜、缺陷工程或表面改性，引入電子給體或受體，

改變過渡金屬碳化物的電子結(jié)構(gòu)。

2.優(yōu)化過渡金屬和碳原子的d帶位置，促進活性位點的形

成和吸附脫附反應(yīng)C

3.調(diào)整費米能級，提高催化劑的氧化還原能力和活性。

主題名稱：界面工程

催化活性位點的調(diào)控策略

調(diào)節(jié)二維過渡金屬碳化物的催化活性位點是提高其催化性能的關(guān)鍵

策略。以下是一系列廣泛采用的調(diào)控方法：

摻雜：

*金屬摻雜：引入第二種或多種金屬元素，形成合金或復(fù)合材料，可

改變電子結(jié)構(gòu)、調(diào)節(jié)d帶中心和優(yōu)化吸附能。例如，Co-摻雜的Mo2c

表現(xiàn)出增強的析氫反應(yīng)(HER)活性。

*非金屬摻雜：加入氮、硫、氧等非金屬元素，可引入額外的電子或

空穴，調(diào)控電荷密度和促進反應(yīng)物吸附。例如，N-摻雜的WC具有更

高的析氧反應(yīng)(OER)活性。

缺陷工程：

*點缺陷：引入氧空位、碳空位或金屬空位，可創(chuàng)造活性中心并優(yōu)化

吸附位點。例如，Mo2c中的氧空位增強了其C02還原反應(yīng)活性。

*線缺陷：形成位錯、晶界或邊緣位，可提供高反應(yīng)活性和選擇性。

例如，Mo2c中的位錯位點促進C02電還原成甲酸。

表面改性：

*氧化：表面氧化可引入極性官能團，增強反應(yīng)物的吸附和激活0例

如，氧化處理的Mo2c表現(xiàn)出增強的HER活性。

*氮化：通過氮化處理，表面會形成金屬氮化物層，調(diào)節(jié)電子結(jié)構(gòu)和

提供額外的活性位點。例如，氮化的Ni2c具有更高的OER活性。

*磷化：磷化處理在表面形成金屬磷化物層，增強電子轉(zhuǎn)移和促進反

應(yīng)中間體的吸附。例如，磷化的Fe2c表現(xiàn)出優(yōu)異的HER活性。

構(gòu)型工程：

*納米結(jié)構(gòu)：納米顆粒、納米線或納米片等納米結(jié)構(gòu)提供高表面積和

豐富的活性位點。例如，納米顆粒狀M。2c具有比表面積大，有利于

HER反應(yīng)。

*多孔結(jié)構(gòu)：多孔材料具有較高的比表面積和孔容積，有利于反應(yīng)物

傳輸和中間體吸附。例如，多孔WC具有更高的C02還原反應(yīng)活性。

*層狀結(jié)構(gòu)：層狀材料提供二維表面，具有豐富的活性位點和促進電

荷轉(zhuǎn)移的層間空間。例如，層狀Mo2c表現(xiàn)出突出的HER活性。

其他策略：

*應(yīng)變工程：通過機械變形或彈性基底，引入應(yīng)變可調(diào)控電子結(jié)構(gòu)和

活性位點。例如，應(yīng)變的Mo2c表現(xiàn)出增強的OER活性。

*等離子體處理：等離子體處理可以激活袤面，引入缺陷，并噌強催

化活性。例如，等離子體處理過的WC具有更高的C02電還原反應(yīng)活

性。

通過優(yōu)化這些調(diào)控策略，可以精細定制二維過渡金屬碳化物的催化活

性，實現(xiàn)特定反應(yīng)的催化性能最大化。

第三部分催化應(yīng)用中的結(jié)構(gòu)-活性關(guān)系

關(guān)鍵詞關(guān)鍵要點

晶體結(jié)構(gòu)的影響

1.二維過渡金屬碳化物的晶體結(jié)構(gòu)會顯著影響其催化活

性，例如，六方氮化硼(h-BN)具有層狀結(jié)構(gòu)，可提供豐富

的活性位點，而立方氮化硼(c-BN)具有三維框架結(jié)構(gòu),催

化活性較低。

2.過渡金屬原子的排列方式也會影響活性。例如，

Mo₂C中Mo原子的堆積方式?jīng)Q定了其在析

氫反應(yīng)中的活性。

3.研究晶體結(jié)構(gòu)-活性關(guān)系對于優(yōu)化催化劑性能至關(guān)重要。

缺陷和摻雜

1.點缺陷、線缺陷和位錯等缺陷可以作為活性位點，提高

催化劑活性。例如，氮化鋁(Mo₂N)中的氮空

位可以促進氫進化反應(yīng)。

2.摻雜異原子可以調(diào)節(jié)碳化物的電子結(jié)構(gòu)，影響其催化性

能。例如，向氮化鈦(TiN)中摻雜碳可以增強其在光傕化

反應(yīng)中的活性。

3.缺陷和摻雜的引入為定制催化劑活性提供了途徑。

表面修飾

1.通過吸附有機分子、金屬納米顆?；蜓趸?，可以對二

維過渡金屬碳化物的表面進行修飾。

2.表面修飾可以改變催化劑的電子特性，引入新的活性位

點或增強催化劑的穩(wěn)定性。例如，在氮化鋁表面負載的納米

顆?？梢蕴岣咂湓谘踹€原反應(yīng)中的活性。

3.表面修飾是優(yōu)化催化劑性能的有效策略。

尺寸效應(yīng)

1.二維過渡金屬碳化物的尺寸會影響其催化活性。例如，

小尺寸碳化鴿納米片具有更高的催化活性，因為它們具有

更高的表面積和更多的活性位點。

2.尺寸效應(yīng)可以通過調(diào)控合成條件或后處理方法來實現(xiàn)。

3.探索尺寸效應(yīng)對于開發(fā)高性能催化劑至關(guān)重要。

電子結(jié)構(gòu)調(diào)控

1.二維過渡金屬碳化物的電子結(jié)構(gòu)可以影響其催化性能。

例如，氮化鋁的d帶位置會影響其在電催化反應(yīng)中的活性。

2.電子結(jié)構(gòu)調(diào)控可以通過表面修飾、摻雜或引入缺陷來實

現(xiàn)。

3.電子結(jié)構(gòu)調(diào)控為優(yōu)化傕化劑設(shè)計提供了新的思路。

反應(yīng)條件的影響

1.反應(yīng)條件，如溫度、壓力和溶劑，會影響二維過渡金屬

碳化物的催化活性。

2.反應(yīng)條件可以調(diào)節(jié)反應(yīng)路徑，改變活性位點的構(gòu)型，或

影響催化劑的穩(wěn)定性。

3.優(yōu)化反應(yīng)條件對于實現(xiàn)高催化效洋至關(guān)重要。

催化應(yīng)用中的結(jié)構(gòu)-活性關(guān)系

二維過渡金屬碳化物(2DTMCs)因其優(yōu)異的催化性能而受到廣泛關(guān)

注。它們的催化活性高度依賴于其晶體結(jié)構(gòu)、表面化學(xué)和電子結(jié)構(gòu)之

間的復(fù)雜關(guān)系，這些關(guān)系通常被稱為結(jié)構(gòu)-活性關(guān)系。

晶體結(jié)構(gòu)的影響

2DTMCs的晶體結(jié)構(gòu)差異會直接影響它們的催化活性。例如，

Mo₂C具有三種不同的多形體：a、8和Y。其中，Y-

Mo₂C具有最高的催化活性，因為它具有獨特的層狀結(jié)構(gòu),

提供了豐富的活性位點。

表面化學(xué)的作用

2DTMCs的表面化學(xué)可以通過調(diào)控其表面組成和官能團來優(yōu)化。例

如，在Mo₂C上引入硫摻雜可以顯著提高其氫析出反應(yīng)

(HER)活性，因為硫原子可以促進水的解離和氫吸附。

電子結(jié)構(gòu)的重要性

2DTMCs的電子結(jié)構(gòu)與它們的催化活性密切相關(guān)。例如，d帶電子的

數(shù)量和位置會影響催化反應(yīng)的吸附、活化和解吸步驟。高d帶密度

通常有利于催化反應(yīng)。

2DTMCs在各個催化應(yīng)用中的結(jié)構(gòu)-活性關(guān)系

*氫析出反應(yīng)(HER)：高表面積、豐富的活性位點和合適的d帶電

子結(jié)構(gòu)是HER高活性的關(guān)鍵因素。

*氧還原反應(yīng)(ORR)：晶格缺陷、表面氧官能團和適度的d帶中心

可以促進ORR活性。

*析氧反應(yīng)(OER)：高氧化態(tài)、豐富的氧空位和強氧化性表面有利于

OER活性。

*電催化二氧化碳還原(C0₂RR)：高選擇性

C0₂RR活性需要優(yōu)化晶體相、表面終止、缺陷類型和電

荷轉(zhuǎn)移特性。

*其他催化應(yīng)用：2DTMCs在能量存儲、若催化和電化學(xué)傳感等領(lǐng)域

也表現(xiàn)出結(jié)構(gòu)-活性關(guān)系。

數(shù)據(jù)和證據(jù)

*研究表明，Y-Mo〈sub>2</sub>C比a-Mo₂C和8-

Mo₂C具有更高的HER活性，因為其獨特的層狀結(jié)構(gòu)提

供了更多的活性位點。

*硫摻雜Mo₂C的電化學(xué)活性表面積顯著增加，這歸因

于硫原子的促進作用，從而提高了HER活性。

*具有高d帶密度的2DTMCs通常表現(xiàn)出更好的催化性能。例如,

Fe₇C₃因其高d帶密度而表現(xiàn)出優(yōu)異的

OER活性。

*優(yōu)化晶體相和表面化學(xué)的2DTMCs可實現(xiàn)高效的

C0₂RR,產(chǎn)生特定產(chǎn)物，如甲烷（CH<sub>4</sub?和乙

烯（C〈sub>2〈/sub〉H〈sub>4〈/sub〉）。

總結(jié)

2DTMCs的結(jié)構(gòu)-活性關(guān)系在理解和優(yōu)化其催化性能方面至關(guān)重要。

通過控制晶體結(jié)構(gòu)、表面化學(xué)和電子結(jié)構(gòu)，可以設(shè)計具有高活性和選

擇性的2DTMCs用于廣泛的催化應(yīng)用中。深入了解結(jié)構(gòu)-活性關(guān)系為

2DTMCs在能源轉(zhuǎn)換、環(huán)境修復(fù)和工業(yè)過程中的應(yīng)用提供了寶貴的指

導(dǎo)。

第四部分氫能領(lǐng)域的產(chǎn)氫與析氫反應(yīng)

關(guān)鍵詞關(guān)鍵要點

電催化析氫反應(yīng)（HER）

1H.ER是水電解的重要半反應(yīng)，涉及水分子在陰極催化劑

表面的分解，產(chǎn)生氫氣和氫氧根離子。

2.二維過渡金屬碳化物（TMCs）因其優(yōu)異的電子結(jié)構(gòu)、高

的電化學(xué)活性表面積和優(yōu)異的穩(wěn)定性而被廣泛用作HER

催化劑。

3.通過調(diào)節(jié)TMCs的組成、形態(tài)和表面修飾，可以優(yōu)化其

HER活性，實現(xiàn)高電流密度、低的過電位和優(yōu)異的長期穩(wěn)

定性。

電催化產(chǎn)氫反應(yīng)（HOR）

1.HOR是燃料電池的重要半反應(yīng)，涉及氧氣在陽極催化劑

表面的氧化，產(chǎn)生質(zhì)子和電子。

2.二維TMCs也顯示出出色的HOR催化活性，歸因于

它們高密度的活性位點、良好的導(dǎo)電性和抗中毒能力。

3.通過控制二維TMCs的大小、形貌和缺陷，可以進一步

提高其HOR性能，實現(xiàn)高活性、低過電位和優(yōu)異的穩(wěn)定

性。

光催化析氫反應(yīng)（PC-HER）

1.PC-HER利用太陽能凈水分解成氫氣和氧氣，是一種清

潔可持續(xù)的產(chǎn)氫途徑c

2.二維TMCs具有寬帶隙、高的載流子遷移率和優(yōu)異的

穩(wěn)定性，使其成為有前途的PC-HER催化劑。

3.通過光敏劑負載、異質(zhì)結(jié)構(gòu)構(gòu)建和表面工程，可以增強

二維TMCs的光吸收、電荷分離和HER活性。

光催化產(chǎn)氫反應(yīng)（PC-HOR）

1.PC-HOR是一種將氫氣用作犧牲劑來改善光催化劑光催

化活性的技術(shù)。

2.二維TMCs在PCHOR中顯示出promising的活性，

因為它們可以抑制光生電荷的復(fù)合，并促進氫氣的解吸。

3.通過耦合二維TMCs與共催化劑、構(gòu)建異質(zhì)結(jié)構(gòu)和表

面改性，可以進一步提升PC-HOR性能，實現(xiàn)高效的氫氣

產(chǎn)生。

光電催化析氫反應(yīng)（PEC-

HER）1.PEC-HER結(jié)合了光催化和電催化的優(yōu)勢，在弱光照條件

下也能實現(xiàn)高效的產(chǎn)氫。

2.二維TMCs作為PEC-HER催化劑，具有寬的光吸收

范圍、高的電荷分離效座和優(yōu)異的穩(wěn)定性。

3.通過構(gòu)建PEC單元、優(yōu)化電極結(jié)構(gòu)和表面修飾，可以

增強PEC-HER活性，實現(xiàn)高太陽能轉(zhuǎn)化效率和穩(wěn)定的氫

氣產(chǎn)生。

光電催化產(chǎn)氫反應(yīng)（PEC-

HOR）1.PEC-HOR利用光能和電能來促進HOR,是一種有前途

的提高燃料電池效率的方法。

2.二維TMCs在PEC-HOR中表現(xiàn)出優(yōu)異的活性，因為

它們可以促進電荷分離、抑制電荷復(fù)合并提供高效的強化

位點。

3.通過構(gòu)建異質(zhì)結(jié)構(gòu)、引入氧空位和表面活性調(diào)控，可以

進一步優(yōu)化PEC-HOR活性，提高燃料電池的整體性能。

氫能領(lǐng)域中的產(chǎn)氫與析氫反應(yīng)

二維過渡金屬碳化物（MXenes）因其獨特的結(jié)構(gòu)和電化學(xué)性能在

氫能領(lǐng)域表現(xiàn)出廣闊的應(yīng)用前景。它們被廣泛用于產(chǎn)氫和析氫反應(yīng),

有助于解決可持續(xù)氫能生產(chǎn)和儲存的挑戰(zhàn)。

#產(chǎn)氫反應(yīng)

MXene用于產(chǎn)氫反應(yīng)主要通過以下途徑：

*水解反應(yīng)：MXene與水反應(yīng)生成氫氣和相應(yīng)的金屬氧化物。例如，

Ti₃C₂T_x與水反應(yīng)產(chǎn)生

H₂和TiO₂：

、、、

Ti₃C₂T_x+2H₂0

f3Ti(0H)₂+2C+H₂

*光催化水分解：MXene具有出色的光吸收能力，可作為光催化劑

促進水分解。例如，Mo₂TiC₂T_x

在可見光照射下可有效催化水分解，產(chǎn)生H₂和

0₂o

*電催化水分解：MXene薄膜或納米顆?？捎米麟姶呋瘎陔娊?/p>

水過程中促進析氫反應(yīng)。

Ti₃C₂T_x和

Nb₂CT_x等MXene在析氫反應(yīng)中表現(xiàn)出高

的活性和穩(wěn)定性。

#析氫反應(yīng)

MXene用于析氫反應(yīng)主要基于其豐富的活性位點和高電子導(dǎo)電性。析

氫反應(yīng)涉及以下步驟：

*吸附質(zhì)子：質(zhì)子(H〈sup>+〈/sup>)從溶液中吸附到MXene表面。

*電子轉(zhuǎn)移：電子從MXene轉(zhuǎn)移到吸附的質(zhì)子，形成吸附氫原子

(II*)O

*析氫：兩個吸附氫原子結(jié)合形成H₂并從MXene表

面釋放。

MXene的獨特結(jié)構(gòu)和電子性質(zhì)有利于這些步驟的發(fā)生：

*豐富的活性位點：MXene表面的金屬原子和碳原子提供充足的活

性位點，促進質(zhì)子吸附和電子轉(zhuǎn)移。

*高的電子導(dǎo)電性：MXene的高電子導(dǎo)電性促進電子在材料中的快

速傳輸，加快析氫反應(yīng)。

*優(yōu)異的穩(wěn)定性：MXene在電解液中具有優(yōu)異的化學(xué)穩(wěn)定性，確保

其長時間穩(wěn)定運行C

#性能提升策略

為了進一步提高MXene在產(chǎn)氫和析氫反應(yīng)中的性能，研究人員探索

了各種性能提升策略：

*缺陷工程：引入缺陷位點可以增加活性位點數(shù)量，提高催化活性。

例如，在Ti₃C₂T_x中引入氫空

位可以顯著增強其產(chǎn)氫性能。

*雜原子摻雜：摻雜其他過渡金屬或非金屬原子可以改變MXene的

電子結(jié)構(gòu)和活性，提高其催化性能。例如，將Co摻雜到

Mo₂TiC₂T_x中可提高析氫反應(yīng)

的活性。

*復(fù)合材料制備：將MXene與其他催化材料復(fù)合，例如金屬氧化物

或碳納米材料，可以實現(xiàn)協(xié)同效應(yīng)，提高催化性能。例如，

Ti₃C₂T_x/Co₃0<su

b>4</sub>復(fù)合材料在析氫反應(yīng)中表現(xiàn)出優(yōu)異的活性。

*表面改性：通過引入親水性基團或官能團對MXene表面進行改

性可以增強其與水或電解質(zhì)的相互作用，從而提高產(chǎn)氫或析氫反應(yīng)的

效率。

#應(yīng)用前景

MXene在氫能領(lǐng)域的產(chǎn)氫和析氫反應(yīng)中表現(xiàn)出廣闊的應(yīng)用前景，包括:

*可再生氫能生產(chǎn)：MXene基催化劑可用于從水、生物質(zhì)和其他可

再生資源中生產(chǎn)氫氣，為可持續(xù)氫能經(jīng)濟做出貢獻。

*燃料電池和電解槽：MXene可作為燃料電池的電極或電解槽的催

化劑，實現(xiàn)氫能的高效轉(zhuǎn)化和儲存。

*氫氣傳感器：MXene的高靈敏度和選擇性使其成為氫氣傳感器的

理想材料，可用于檢測環(huán)境中的氫氣濃度。

綜上所述，二維過渡金屬碳化物在產(chǎn)氫和析氫反應(yīng)中表現(xiàn)出出色的催

化性能和應(yīng)用潛力。通過進一步的材料優(yōu)化和性能提升策略，MXene

有望為氫能產(chǎn)業(yè)的發(fā)展做出重大貢獻。

第五部分碳減排領(lǐng)域的二氧化碳還原反應(yīng)

關(guān)鍵.［關(guān)鍵要點

二氧化碳電還原反應(yīng)

(CO2RR)LCO2RR是一種電化學(xué)過程，將二氧化碳轉(zhuǎn)化為有價值的

化學(xué)品，例如甲烷、一氧化碳和乙烯，為碳減排提供了可

持續(xù)途徑。

2.二維過渡金屬碳化物(TMCs)作為CO2RR催化劑表現(xiàn)

出優(yōu)異的活性、選擇性和穩(wěn)定性，其獨特的晶體結(jié)構(gòu)和電

子性質(zhì)使其能夠有效促進C02吸附和還原。

3.通過摻雜、缺陷工程和雜化策略，可以進一步增強TMCs

的催化性能，實現(xiàn)對C02RR產(chǎn)物的特定選擇性。

C02RR反應(yīng)路徑

1.C02RR的反應(yīng)路徑復(fù)雜且多樣，涉及多個質(zhì)子-電子轉(zhuǎn)

移步驟。

2.不同TMCs催化劑對CO2RR途徑的選擇性有很大的影

響，例如Ti3c2Tx主要通過甲酸途徑，而Mo2c主要通過

一氧化碳途徑。

3.理解和調(diào)控反應(yīng)珞徑對于在TMCs催化劑上提高

CO2RR的產(chǎn)物選擇性和轉(zhuǎn)化率至關(guān)重要。

反應(yīng)條件

1.CO2RR反應(yīng)條件，如電勢、pH值和電解質(zhì)組成，對TMCs

催化劑的性能有顯著影響。

2.優(yōu)化反應(yīng)條件可以提高產(chǎn)物選擇性、轉(zhuǎn)化率和催化劑穩(wěn)

定性。

3.研究反應(yīng)條件與催化劑性能之間的關(guān)系對于指導(dǎo)

CO2RR過程的理性設(shè)廿和優(yōu)化具有重要意義。

催化劑設(shè)計策略

1.通過控制TMCs的合成方法、摻雜水平和缺陷類型，可

以調(diào)節(jié)其晶體結(jié)構(gòu)、電子性質(zhì)和表面活性。

2.摻雜策略可以引入新的活性位點，調(diào)控電子結(jié)構(gòu)，提高

CO2吸附和還原能力。

3.雜化策略，如TMCs與其他催化材料或?qū)щ娀椎膹?fù)合，

可以協(xié)同催化CO2RR過程，提高催化效率。

規(guī)?；魬?zhàn)

1.目前，TMCs催化劑的CO2RR研究主要集中在實驗室

規(guī)模，大規(guī)模應(yīng)用面臨著成本、穩(wěn)定性和催化劑壽命等挑

戰(zhàn)。

2.探索新型合成策略、設(shè)計穩(wěn)定且低成本的TMCs催化劑，

對于實現(xiàn)CO2RR的工業(yè)化應(yīng)用至關(guān)重要。

3.優(yōu)化電解池設(shè)計和反應(yīng)工程可以提高催化劑的利用率

和產(chǎn)物產(chǎn)率。

前沿發(fā)展

1.探索具有更高CO2RR活性和可控產(chǎn)物選擇性的新型

TMCs催化劑。

2.利用機器學(xué)習(xí)和計算建模工具，預(yù)測和優(yōu)化TMCs催化

劑的性能。

3.整合CO2RR技術(shù)與可再生能源系統(tǒng)，實現(xiàn)碳中和的電

化學(xué)路徑。

碳減排領(lǐng)域的二氧化碳還原反應(yīng)

引言

隨著全球能源需求不斷增長，追求清潔可持續(xù)的能源解決方案已戌為

當(dāng)今迫切需要解決的問題。二氧化碳(C02)的排放不僅會加劇氣候

變化，而且還耗盡了地球上的化石燃料資源。因此，開發(fā)有效的C02

轉(zhuǎn)化技術(shù)至關(guān)重要，為碳減排和低碳經(jīng)濟的發(fā)展做出貢獻。

二氧化碳還原反應(yīng)的催化劑

二氧化碳還原反應(yīng)(C02RR)是一種將C02轉(zhuǎn)化為有價值化學(xué)品(如

燃料、化學(xué)品和材料)的過程。設(shè)計高效、選擇性高的催化劑對于

C02RR的實際應(yīng)用至關(guān)重要。二維過渡金屬碳化物(2DTMs)因其

獨特的電子結(jié)構(gòu)和性質(zhì)而成為C02RR的很有前途的催化劑。

2D過渡金屬碳化物的特性

2DTMs由單層或多層金屬離子與碳原子形成的平面片狀結(jié)構(gòu)組成。

它們具有以下特性：

*高表面積：二維結(jié)構(gòu)提供了豐富的活性位點，有利于催化反應(yīng)。

*可調(diào)電子結(jié)構(gòu)：過渡金屬和碳之間的相互作用可以調(diào)節(jié)2DTMs的

電荷密度，從而可以定制其催化性能。

*化學(xué)穩(wěn)定性：2DTMs通常在C02RR反應(yīng)條件下表現(xiàn)出良好的化

學(xué)穩(wěn)定性。

2DTMs在C02RR中的應(yīng)用

2DTMs在C02RR中展示出廣泛的催化應(yīng)用，可以將C02還原為各

種產(chǎn)品，包括：

*甲烷(CH4)：CH4是天然氣中的一種主要成分，可以作為燃料和化

學(xué)原料。2DTMs,如Ni3C和Co3C,已被證明是高效的CH4生成催

化劑。

?甲醇(CH30H)：甲醇是一種重要的工業(yè)化學(xué)品，可以用于合成燃料、

塑料和藥物。Mo2C和W2C等2DTMs已顯示出高的CH30H選擇性

和活性。

*一氧化碳(CO)：CO是一種工業(yè)中間體，可以用于合成燃料、化學(xué)

品和材料。Fe3c和Mn3C等2DTMs在CORR中表現(xiàn)出優(yōu)異的活性。

*乙烯(C2H4)：乙烯是世界上生產(chǎn)量最大的基礎(chǔ)化工原料之一。2D

TMs,如CuCo2S4和NiCo2S4,已用于乙煒生產(chǎn)，展示了有希望的活

性。

催化活性影響因素

2DTMs在C02RR中的催化活性受到以下因素的影響：

*金屬類型：不同的過渡金屬具有不同的催化特性，導(dǎo)致CO2RR活

性和產(chǎn)物選擇性各不相同。

*碳配位環(huán)境：金屬原子周圍的碳原子的數(shù)量和類型會影響催化劑的

電子結(jié)構(gòu)和活性。

*表面缺陷：表面缺陷可以作為活性位點，提高C02RR的催化活性。

*反應(yīng)條件：溫度、壓力和電解質(zhì)類型等反應(yīng)條件會影響催化劑的性

能。

優(yōu)化2DTMs的C02RR性能

為了優(yōu)化2DTMs在CO2RR中的性能，研究人員正在探索以下策略：

*結(jié)構(gòu)設(shè)計：通過調(diào)節(jié)金屬類型、碳配位環(huán)境和層數(shù)來設(shè)計具有增強

催化活性和選擇性的新型2DTMs。

*表面改性：通過引入雜質(zhì)、創(chuàng)建缺陷或負載助催化劑來調(diào)制2DTMs

的表面性質(zhì)。

*電化學(xué)調(diào)控：通過電位控制、電流密度調(diào)整和電解質(zhì)優(yōu)化來優(yōu)化

C02RR反應(yīng)條件。

結(jié)論

二維過渡金屬碳化物在碳減排領(lǐng)域的C02RR中具有廣闊的應(yīng)用前景。

通過利用其獨特的特性和優(yōu)化催化性能，2DTMs有望作為高效、選

擇性高的催化劑，為C02轉(zhuǎn)化和低碳經(jīng)濟的發(fā)展做出重大貢獻。持

續(xù)的研究和創(chuàng)新將進一步推動C02RR技術(shù)的進步，為全球可持續(xù)能

源未來鋪平道路。

第六部分電化學(xué)儲能領(lǐng)域的ORR和OER反應(yīng)

關(guān)鍵詞關(guān)鍵要點

過渡金屬碳化物在ORR反

應(yīng)中的應(yīng)用1.過渡金屬碳化物具有優(yōu)異的本征電催化活性，能夠有效

降低ORR反應(yīng)的過電位，提高催化活性。

2.過渡金屬碳化物表面豐富的活性位點和電荷轉(zhuǎn)移特性，

有利于吸附和活化氧分干，促進ORR反應(yīng)過程。

3.通過表面改性、結(jié)構(gòu)調(diào)控等策略，可以進一步優(yōu)化過渡

金屬碳化物的ORR催化性能，提升其穩(wěn)定性和耐久性。

過渡金屬碳化物在OER反

應(yīng)中的應(yīng)用1.過渡金屬碳化物具有良好的成鍵能和電導(dǎo)率，能夠穩(wěn)定

中間產(chǎn)物的吸附和脫附，促進OER反應(yīng)的進行。

2.過渡金屬碳化物的表面氧空位和缺陷結(jié)構(gòu)可以作為活性

位點，加快水分子氧化過程，降低OER反應(yīng)的能壘。

3.通過構(gòu)建多組分過渡金屬碳化物、引入異質(zhì)原子或調(diào)控

晶相等方法，可以提升OER催化活性，延長催化劑的使用

壽命。

電化學(xué)儲能領(lǐng)域的ORR和OER反應(yīng)

氧還原反應(yīng)(ORR)

氧還原反應(yīng)(ORR)是燃料電池和金屬空氣電池的關(guān)鍵反應(yīng)，在這些

電池中，氧氣與燃料(如氫氣或甲醇)反應(yīng)產(chǎn)生水和電能。ORR的催

化劑選擇對于電池的性能至關(guān)重要，因為催化劑決定了反應(yīng)速率、選

擇性和穩(wěn)定性。

二維過渡金屬碳化物(2DTMCs)因其獨特的電子結(jié)構(gòu)、高比表面積

和導(dǎo)電性而成為有希望的ORR催化劑。由于其過渡金屬原子和碳原

子之間的相互作用，2DTMCs具有可調(diào)的d帶結(jié)構(gòu)，可以優(yōu)化氧吸

附和反應(yīng)路徑。此外，它們的大表面積提供了豐富的活性位點，而高

導(dǎo)電性促進了電荷轉(zhuǎn)移。

最近的研究表明，2DTMCs,如Co3C,Ni3C和Fe3C,表現(xiàn)出出色的

ORR活性。例如，Nie等人合成的Co3C納米片在堿性電解液中顯示

出低過電位(0.37V)和高電流密度(6.1mAcm-2),可與商業(yè)Pt/C

催化劑相媲美。Wang等人報道的Ni3C納米花在酸性電解液中表現(xiàn)

出優(yōu)異的0RR穩(wěn)定性，持續(xù)20,000個循環(huán)后仍能保持高的活性。

氧析出反應(yīng)(0ER)

氧析出反應(yīng)(0ER)是水電解的關(guān)鍵反應(yīng)，在該反應(yīng)中，水被電解產(chǎn)

生氧氣和氫氣。OER的催化劑選擇對于提高電解效率至關(guān)重要，因為

催化劑決定了反應(yīng)速率、選擇性和穩(wěn)定性。

2DTMCs也被證明是很有希望的OER催化劑，因為它們具有高氧化

還原電位、豐富的活性位點和導(dǎo)電性。2DTMCs表面過渡金屬原子的

高氧化態(tài)促進氧物種的吸附和脫附，而碳基質(zhì)提供電子轉(zhuǎn)移途徑。

文獻中報道了各種2DTMCs,如Co3C、Ni3C和Mo2C,表現(xiàn)出出色

的OER性能。例如，Li等人合成的Co3C納米片在L5V(vs.

RHE)下顯示出10mAcm-2的高電流密度，并且在1,000個循環(huán)后

保持穩(wěn)定的活性。Wang等人報道的Ni3C納米立方體在1.6V(vs.

RHE)下達到10mAcm-2,并且在堿性電解液中表現(xiàn)出良好的穩(wěn)定性。

2DTMCs在電化學(xué)儲能中的應(yīng)用前景

2DTMCs在電化學(xué)儲能領(lǐng)域顯示出巨大的應(yīng)用前景，特別是作為0RR

和0ER催化劑。它們的優(yōu)勢包括：

*可調(diào)的電子結(jié)構(gòu)：2DTMCs具有可調(diào)的d帶結(jié)構(gòu)，可以優(yōu)化氧吸

附和反應(yīng)路徑。

*高比表面積：2DTMCs的大表面積提供了豐富的活性位點。

*高導(dǎo)電性：2DTMCs的高導(dǎo)電性促進了電荷轉(zhuǎn)移。

*穩(wěn)定性：2DTMCs在0RR和0ER過程中表現(xiàn)出良好的穩(wěn)定性。

通過合理的設(shè)計和合成，2DTMCs的性能可以進一步提高，使其成為

下一代電化學(xué)儲能器件中極具競爭力的催化劑。

第七部分化學(xué)儲能領(lǐng)域的催化劑應(yīng)用

關(guān)鍵詞關(guān)鍵要點

電化學(xué)析氫反應(yīng)(HER)催化

1.二維過渡金屬碳化物具有優(yōu)異的導(dǎo)電性和絡(luò)合物形成

能力，作為HER催化劑表現(xiàn)出高活性、低過電位和長期

的穩(wěn)定性。

2.通過控制碳化程度、摻雜和晶面工程，可以優(yōu)化二維過

渡金屬碳化物的活性位點，顯著提高HER催化性能。

3.二維過渡金屬碳化物與其他材料（如過渡金屬、碳納米

管）復(fù)合，可以實現(xiàn)協(xié)同催化效應(yīng)，進一步提高HER效

率。

氧還原反應(yīng)（ORR）催化

1.二維過渡金屬碳化物具有豐富的表面缺陷和活性位點，

有利于ORR反應(yīng)中氧分子的吸附和活化，從而表現(xiàn)出高

活性和選擇性。

2.通過構(gòu)筑異質(zhì)結(jié)構(gòu)或缺陷工程，可以創(chuàng)造出更多的活性

位點并優(yōu)化ORR反應(yīng)途徑，增強催化性能。

3.二維過渡金屬碳化物與導(dǎo)電基底（如石墨烯、碳納米管）

結(jié)合，可以提高其電化學(xué)穩(wěn)定性和催化活性，滿足燃料電

池和金屬?空氣電池的應(yīng)用需求。

電化學(xué)二氧化碳還原反應(yīng)

（CO2RR）催化1.二維過渡金屬碳化物作為CO2RR催化劑，能夠有效降

低反應(yīng)過電位，提高產(chǎn)物選擇性和法拉第效率。

2.通過調(diào)控碳化程度和表面修飾，可以優(yōu)化C02RR反應(yīng)

中間體的吸附和脫附過程，促進目標(biāo)產(chǎn)物的生成。

3.二維過渡金屬碳化物與其他催化劑（如氮化碳、金屬氧

化物）耦合，可以形成復(fù)合催化體系，協(xié)同催化C02RR反

應(yīng)，提高產(chǎn)物產(chǎn)率和穩(wěn)定性。

化學(xué)儲能領(lǐng)域的催化劑應(yīng)用

化學(xué)儲能涉及化學(xué)物質(zhì)存儲能量，這些物質(zhì)在需要時可以釋放能量。

二維過渡金屬碳化物（2DTMs）因其獨特的電子結(jié)構(gòu)、優(yōu)異的電導(dǎo)率

和高比表面積而成為有前景的化學(xué)儲能催化劑。

金屬-空氣電池

2DTMs已被探索用于金屬-空氣電池的催化劑，例如鋅-空氣和鐵-空

氣電池。這些電池利用氧氣的電化學(xué)還原為放電反應(yīng)，而充電反應(yīng)涉

及氧氣的電化學(xué)氧化。

*鋅-空氣電池：2DTMs（如MoSe₂和

Co₃0₄）顯示出優(yōu)異的氧還原反應(yīng)（ORR）

活性，使其成為鋅-空氣電池中高效的陰極催化劑。這些催化劑促進

氧氣的四電子還原，導(dǎo)致高能量效率和電池壽命。

*鐵-空氣電池：2DTMs（如Fe₃0₄和

Co₃0<sub>4</sub?也表現(xiàn)出高的ORR活性，以及艮好

的鐵離子耐受性，使其成為鐵-空氣電池的潛在催化劑。這些催化劑

抑制鐵離子的沉積，改善電池的循環(huán)穩(wěn)定性和可逆性。

鋰-硫電池

鋰-硫電池是一種有前途的儲能器件，但其面臨硫電極的低導(dǎo)電性和

多硫化物穿梭問題,2DTMs已被應(yīng)用于鋰-硫電池，以解決這些挑戰(zhàn)。

*硫電極：2DTMs（如MoS₂和

Ti₃C₂T_x）可用作硫電極的摻

雜劑或包覆材料。它們提供導(dǎo)電網(wǎng)絡(luò)以增強硫的導(dǎo)電性，并通過物理

或化學(xué)結(jié)合抑制多硫化物穿梭。

*催化器層：2DTMs（如Co₉S₈和

VS<sub>2</sub?可用作催化劑層，促進鋰硫電池中硫的氧化還原反

應(yīng)。這些催化劑優(yōu)化了反應(yīng)動力學(xué)，提高了電池的充放電效率。

鋰-氧電池

鋰一氧電池是一種高能量密度儲能系統(tǒng)，但由于嚴重的副反應(yīng)和電池

降解而受到限制