MXenes 擅长于承载催化活性颗粒。这个特性可以被利用来创造更强大的催化材料，显著加速和增强氧气演化反应，这是通过使用太阳能或风能的电解法生产绿色氢气的瓶颈之一。一项详细研究显示了这些新材料在未来大规模应用中的潜力。
MXenes 擅长于承载催化活性颗粒。这个特性可以被利用来创造更强大的催化材料，显著加速和增强氧气演化反应，这是通过使用太阳能或风能的电解法生产绿色氢气的瓶颈之一。由 HZB 化学家 Michelle Browne 领导的国际团队进行的详细研究显示了这些新材料在未来大规模应用中的潜力。该研究发表在 Advanced Functional Materials。
绿色氢气将在未来能源系统中发挥重要作用：它可以用于储存化学能，作为化学工业的原材料，以及生产气候友好的燃料。如果用于电解——将水分离成其元素的过程——的能源来自太阳能或风能，绿色氢气可以以几乎气候中性的方式生成。然而，需要特殊的催化剂来加速两个电极上氢气和氧气的形成。特别是，氧气演化反应非常缓慢，如果没有有效的催化剂，将需要显著更多的能源。目前，此类催化剂是由稀有且昂贵的贵金属制成的。为了以合理的价格生产出所需数量的绿色氢气，需要由易于获得的元素制成的催化剂。
片状结构
在 HZB，Michelle Browne 领导的团队正在开发基于所谓 MXenes 的复杂替代品。MXenes 是由碳和所谓的过渡金属组成的片状结构。催化活性颗粒可以附着在 MXenes 的内表面，从而增强其催化效应。最近发表在《先进功能材料》杂志上的一项新研究显示，这个想法是可行的。
该研究的第一作者 Can Kaplan 使用不同变体的碳化钒 MXene 作为其研究的基础。他在攻读博士学位期间，借助交换项目的机会，在瑞典林雪平大学的实验室进行研究。
空位的作用
“在那里，我们合成了两种 MXene 变体：纯 V2CTx 和具有 10% 钒空位的 V1.8CTx。这些钒空位确保该变体的内部表面积显著增大，”Can Kaplan 解释道。
将 CoFe 嵌入 MXene
在 Michelle Browne 的 HZB 实验室，Kaplan 开发了一个多步骤化学过程，将 Co0.66Fe0.34 催化剂颗粒嵌入MXene。使用扫描电子显微镜拍摄的图像显示，这一过程是成功的；纯 MXenes 具有类似糕点的结构，但由于掺入钴铁颗粒，这一结构发生了显著改变。
最佳效率：钒缺乏 MXene 中的 CoFe
然后，团队研究了在电解过程中不同催化剂样品的效果：纯铁钴和当与两种 MXene 变体之一混合时。结果非常明确：纯铁钴化合物也作为催化剂。然而，当嵌入 MXene 中时，催化效应显著增强。而当铁钴化合物嵌入空位较多的 MXene 中时，效率进一步提升。
通过在法国 SOLEIL 同步辐射源进行原位 X 射线吸收光谱分析，团队能够追踪在电解反应过程中钴和铁的氧化态变化。
通往新型催化剂的有希望的路径
‘我们在实验室规模以及在一个更大的电解槽中测试了这些催化剂，’Kaplan 强调。‘这使我们的结果对工业应用真正有意义和有趣。’
‘目前，行业还没有将 MXene 视为催化活性颗粒的载体材料，’Michelle Browne 说。‘我们在这里进行基础研究，但前景明确：在应用方面。我们的结果现在为载体结构、催化活性颗粒的嵌入和催化活性之间复杂的相互作用提供了初步见解。’ Michelle Browne 综述说，MXene 是开发创新、高效且价格低廉的催化剂的有希望的候选者。
