AFM | 二维材料MXene的光电转换与储能进展

研究背景

随着技术的迅速发展和对石墨烯等二维材料光电性质的发现，人们对除石墨烯之外的其他二维平面材料的研究越来越引起关注。这些材料包括过渡金属硫化物、碳氮化物、氮化硼等。这些二维材料的概念是指它们可以使制造的设备微型化到几乎原子尺度，并且可以提供非凡的性能。然而，这些材料的研究面临着一些问题，包括如何有效地制备它们以及如何充分利用它们的特性。

研究内容

为了解决这些挑战，近日西班牙巴斯克材料、应用和纳米结构中心Samrana Kazim教授和Shahzada Ahmad教授们进行了大量的研究和综述，其中包括发现新的二维材料、改进制备方法、探索其性质以及寻找其潜在应用。其中，MXenes的发现是一个重要的里程碑，这是一类具有优异性能的二维过渡金属碳化物、碳氮化物和氮化物。本综述着重解决了MXenes作为一种新兴材料所面临的挑战和机遇。它对MXenes的合成、性质和应用进行了全面的总结，以揭示其在能源和其他领域的潜在应用。综述中介绍了MXenes的来源、合成方法、性质以及各种潜在应用。通过对MXenes的深入探讨，本综述为进一步研究和应用MXenes提供了重要的指导和启示。

图文导读

为了系统性地总结MXenes作为新兴材料的研究进展、性质和潜在应用，本综述进行了综合性的分析和总结。在综述中，图1至图22展示了MXenes在不同方面的研究进展和应用。首先，在图1中，MXene的结构和不同组成的示例被详细呈现，包括MXene的基本结构、不同元素组成的示例以及其可能的排列方式。这为我们提供了对MXene的基本了解，为后续的讨论奠定了基础。接下来，在图2中，展示了MXenes在各种领域的潜在应用，包括光伏器件、能源存储、超级电容器、电磁干扰屏蔽、光电二极管等。这表明MXenes具有广泛的应用前景，并且在解决能源和环境问题方面具有重要作用。此外，在图3至图22中，展示了MXenes在各种应用中的具体效果和作用。例如，图19展示了MXenes在钠离子插层和去除循环中的反应机制，图21展示了MXenes与其他物质的结合方式，以及在催化和光电性能方面的应用。这些图表提供了对MXenes在各种应用中的实际效果和作用的直观认识。相关图文结果如下：

图 1 | MXene的结构和迄今为止报告的成分。

a)带有几个实验证实的组成的MXene结构的示意图。

2D MXene具有Mn + 1XnTx的一般公式，其中M是过渡金属，X是碳和/或氮，而Tx代表表面终止基团。公式中的n值可以从1到4不等，这取决于M层和X层的数量。MXene的M位点可以被一个或多个过渡金属原子占据，形成固溶体（表B中的浅金色）或有序结构（表B中的灰色）。有序双过渡金属MXene出现为平面有序结构[i-MXene，例如，（Mo1.3Y0.6）CTx]；平面空位结构（例如，W1.3CTx）；和垂直有序结构（o-MXene），在此结构中，M′′过渡金属的一层夹在两层M′过渡金属之间（例如，Mo2TiC2Tx）或者两层M′′过渡金属夹在两层M′过渡金属之间（例如，Mo2Ti2C3Tx）。有序双空位结构仅在M2C MXene中观察到。这种结构导致每个M层中的三分之一的所有原子位置都为空缺，从而产生M4/3C组成（这些组成在表B中标记为深金色）。在M5X4结构中，可能存在其他配置，其中M′′层位于M′层之间，可能有一层或三层。仍在等待实验确认的预测结构，例如更高阶的单M或o-MXene和高熵MXene，通过底部图像模糊表示。b)迄今为止报告的MXene组成的示例。该表包括MXene的实验探索组成（橙色突出显示）和理论研究组成（绿色表示）（M = 2,3,4）。

图 2 | MXene的潜在应用。

图 3 | 2D-MXene在钙钛矿太阳能电池中诱导改良性能的应用。

图 4 | 关于S-Q极限的最高效率太阳能电池的光伏参数，包括a）JSC，b）VOC和c）FF。

图 5 | a）建议的钙钛矿薄膜的成核和生长路径。b）具有不同Ti3C2Tx量的PSC的J-V曲线。

图 6 | 在PbI2中助剂为Ti3C2Tx的两步法制备高质量钙钛矿薄膜的建议策略。

图 7 | a）环绕次级电子截止的UPS光谱，b）价带（VB）区域的UPS光谱，c）未掺杂和MXene掺杂钙钛矿的能级图至EFerm。e）器件的EQE光谱，d）器件反向扫描的J-V曲线。

图 8 | a）Ti3C2 QDs修饰的基于不同ETL的PSC的J-V曲线，b）基于Ti3C2–TiO2 ETL的Ti3C2 QDs修饰的PSC的FS和RS J-V曲线，c）建议的器件架构。

图 9 | MAPbBr3和Ti3C2Tx纳米片之间的能带对准和能量传输过程的建议方案。

图 10| a）通过EIS分析测量的Nyquist图，b）控制器件的电子设备中电子-只有器件的双对数J-V特性，具有FTO / TiO2 /钙钛矿/ PCBM / Ag结构，c）环境的器件架构。d）PSC的器件结构，e）横截面SEM图像，f）每个层的示意能级图。

图 11| （a）建议的钙钛矿薄膜的成核和生长路径。b）具有不同Ti3C2Tx量的PSC的J-V曲线。

图 12| a）平面PSC的示意图，b）在正向和反向扫描下最佳PSC器件的J-V曲线，c）稳定的稳态功率输出。经许可重印。 d）基于MXene的平面PSC的示意图，e）能带图。

图 13|设备的能带间隙和在界面处的载流子传输机制。

图 14| a）器件架构，b）器件的横截面SEM图像，c）每个层的示意能级图。d）配置e）横截面SEM图像和f）冠军器件的J-V反向曲线。

图 15 | a）器件配置，b）器件的横截面SEM图像，c）能带图。

图 16| a）所提出器件的横截面SEM图像，b）能带图，c）器件的制备协议。

图 17| a）W2HfC2O2的电子能带结构，不考虑（顶部）和考虑自旋-轨道耦合（底部）。图中还显示了每个组分元素具有不同轨道对称性的能带结构。Fermi能位位于0能量处。b）LB-Ti3C2Tx制备的示意图。首先进行Lewis碱（LB）卤化物处理，然后通过脱溶的Na+和K+将Ti3C2Tx插层，从而增加层间间隔，并且表面的-F终止被脱溶的卤素阴离子替换。c，d）多层Ti3C2Tx和LB-Ti3C2Tx的SEM图像，显示增加的层间间距。

图 18| a) 三维打印独立MXene结构的加工策略示意图。b) 由3D打印制作的MOx-Mxene/S电极的制备过程示意图。

图 19| a) 示意图显示Na+插层到Ti3C2Tx的层间间隙的机制。b) 在第一个Na+离子插层和去除循环期间选择的电池电压下的V2CTx的原位硬X射线吸收近边光谱（XANES）谱图；c) 捕获XANES谱图的第一个Na+离子插层和去除循环的电压特性；d) 从XANES谱图中选择的电池电压的V边缘能量变化，显示MXene中V的可逆氧化态变化。

图 20| a) 低放大率和b) 高放大率扫描电子显微镜（SEM）图像显示a-Ti3C2纳米带（MNRs）。c) a-Ti3C2 MNRs的透射电子显微镜（TEM）图像。d–f) a-Ti3C2 MNRs的高分辨透射电子显微镜（HRTEM）图像：d）从c）中的位置A拍摄的单个MNR，e）从c）中的位置B拍摄的扭曲的MNR，f）平坦的MNR。

图 21 | a) SEM和b) TEM图像显示ex-Ti3C2纳米片。c) PDDA-NPCNs的TEM图像。d) PDDA-NPCN/Ti3C2的SEM和e) TEM图像；以及f) PDDA-NPCN/Ti3C2的电子衍射图案。g) EDS谱图。h) PDDA-NPCN/Ti3C2的HAADF-STEM图像及相应的Ti、C和N元素的元素分布图像。i) PDDA-NPCN/Ti3C2的AFM图像和厚度剖面。经许可重印。j) o-P-CoTe2/MXene的制备路线示意图。k) MXene的SEM图像；l) 六角形（h）-CoTe2/MXene；和m) 正交P掺杂的o-P-CoTe2/MXene。

图 22 | a) 3D打印（3DP）-MXene阵列-Li/LFP、3DP-MXene格子-Li/LFP和Cu-Li/LFP在从0.2到30 C的充放电速率下的速率性能；在不同电流密度下的b) 10 C和c) 30 C的充放电电压曲线。d) 3DP-MXene阵列-Li/LFP的循环性能和嵌入图中的典型电压曲线。

结论展望

本文深入研究了MXenes在能量存储和光电子器件中的广泛应用，特别是在钙钛矿太阳能电池（PSCs）和电化学能量存储方面。首先，MXenes作为一类二维材料，具有多样的功能化基团和可调性，使其在各种应用中表现出色。在PSCs中，MXenes表现出优越的性能，能够改善光伏器件的稳定性和效率。其高电导性、层状结构和高比表面积使其成为PSCs中理想的添加剂和界面材料。通过对不同表面终止基团的选择和对MXene进行功能化，可以调节其与钙钛矿表面的相互作用，从而进一步优化PSCs的性能。其次，本文强调了MXene在电化学能量存储领域的潜在应用。MXenes展现出优异的电化学性能，可作为电极材料应用于电池和超级电容器中。通过调节MXene的表面终止基团和引入异质结构，可以改善其电池性能，提高储能容量、速率性能和循环稳定性。然而，对于实现MXene在大规模应用中的障碍，仍需解决其合成成本和胶体悬浮液制备的问题。第三，本文指出MXene的独特性质为多个领域带来了丰富的应用前景。MXenes在催化、环境保护和生物医学方面也展现出了巨大的潜力。其高导电性、层状结构和丰富的表面化学性质使其能够应用于多种场景，如电催化、电磁屏蔽、光电探测和生物传感等。最后，本文指出了MXene领域面临的一些挑战和未来的研究方向。例如，需要进一步探索不同来源的MXenes，以拓宽其应用范围。在大规模自组装方面，引入智能方法如机器学习和神经网络可以加速新型MXene的发现和优化。

该工作发表在Advanced Functional Materials上

文章链接（点击“阅读原文”）：https://doi.org/10.1002/adfm.202315694

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