二維過渡金屬碳化物的催化應用

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控策略............................................4

第三部分催化應用中的結構-活性關系.........................................6

第四部分氫能領域的產氫與析氫反應..........................................9

第五部分碳減排領域的二氧化碳還原反應.....................................13

第六部分電化學儲能領域的ORR和0ER反應..................................17

第七部分化學儲能領域的催化劑應用.........................................19

第八部分未來發展趨勢與機遇...............................................23

第一部分二維過渡金屬碳化物催化劑的合成方法

關鍵詞關鍵要點

【化學氣相沉積(CVD)】：

1.薄膜生長技術，反應氣體在襯底表面分解形成所需材

料。

2.可用于制備高質量、大面積的二維過渡金屬碳化物薄

%

3.通過控制反應溫度、壓力、氣流速率和催化劑前驅體的

濃度，可調節薄膜的結構、形貌和電化學性能。

【液相合成】：

二維過渡金屬碳化物的合成方法

化學氣相沉積(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

襯底上沉積前驅體氣體，并在高溫下將它們催化轉化為碳化物。

*直接CVD法：直接使用包含過渡金屬和碳前驅體的單一氣體，如乙

烘(C2H2)和六跋基鋁(Mo(CO)6)o

*金屬有機化學氣相沉積(MOCVD)法：使用金屬有機前驅體，如四

氯化鈦(TiCl4)知甲基環戊二烯基(Cp)o反應氣體通常還包括碳

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，涉及通過加熱材料蒸發源來產生原子或

分子的單個束流。這些束流隨后沉積在襯底上形成薄膜。

*金屬蒸發法：使用金屬源(如鈦(Ti))和碳源(如乙怏(c2n2))

蒸發束流。

*分子束外延法(MBE)：使用金屬-碳復合前驅體(如四甲基鈦

(Ti(CH3)4))蒸發束流。

溶膠-凝膠法

溶膠-凝膠法涉及將過渡金屬前驅體和碳源溶液混合，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物。該方法通

常用于合成具有特定形態和結構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體在水溶液中進行反應。

*模板輔助水熱法：使用模板材料引導二維碳化物的生長，以獲得特

定的形態和結構。

其他方法

激光誘導法：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。

電化學沉積：使用電解池，在陰極上沉積過渡金屬-碳復合物，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控策略

關鍵詞關鍵要點

主題名稱：電子結構調挖

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構。

2.優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C

3.調整費米能級，提高催化劑的氧化還原能力和活性。

主題名稱：界面工程

催化活性位點的調控策略

調節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鍵

策略。以下是一系列廣泛采用的調控方法：

摻雜：

*金屬摻雜：引入第二種或多種金屬元素，形成合金或復合材料，可

改變電子結構、調節d帶中心和優化吸附能。例如，Co-摻雜的Mo2c

表現出增強的析氫反應(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，調控電荷密度和促進反應物吸附。例如，N-摻雜的WC具有更

高的析氧反應(OER)活性。

缺陷工程：

*點缺陷：引入氧空位、碳空位或金屬空位，可創造活性中心并優化

吸附位點。例如，Mo2c中的氧空位增強了其C02還原反應活性。

*線缺陷：形成位錯、晶界或邊緣位，可提供高反應活性和選擇性。

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，增強反應物的吸附和激活0例

如，氧化處理的Mo2c表現出增強的HER活性。

*氮化：通過氮化處理，表面會形成金屬氮化物層，調節電子結構和

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，增強電子轉移和促進反

應中間體的吸附。例如，磷化的Fe2c表現出優異的HER活性。

構型工程：

*納米結構：納米顆粒、納米線或納米片等納米結構提供高表面積和

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。

*多孔結構：多孔材料具有較高的比表面積和孔容積，有利于反應物

傳輸和中間體吸附。例如，多孔WC具有更高的C02還原反應活性。

*層狀結構：層狀材料提供二維表面，具有豐富的活性位點和促進電

荷轉移的層間空間。例如，層狀Mo2c表現出突出的HER活性。

其他策略：

*應變工程：通過機械變形或彈性基底，引入應變可調控電子結構和

活性位點。例如，應變的Mo2c表現出增強的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電還原反應活

性。

通過優化這些調控策略，可以精細定制二維過渡金屬碳化物的催化活

性，實現特定反應的催化性能最大化。

第三部分催化應用中的結構-活性關系

關鍵詞關鍵要點

晶體結構的影響

1.二維過渡金屬碳化物的晶體結構會顯著影響其催化活

性，例如，六方氮化硼(h-BN)具有層狀結構，可提供豐富

的活性位點，而立方氮化硼(c-BN)具有三維框架結構,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原子的堆積方式決定了其在析

氫反應中的活性。

3.研究晶體結構-活性關系對于優化催化劑性能至關重要。

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。

2.摻雜異原子可以調節碳化物的電子結構，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、金屬納米顆粒或氧化物，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定性。例如，在氮化鋁表面負載的納米

顆粒可以提高其在氧還原反應中的活性。

3.表面修飾是優化催化劑性能的有效策略。

尺寸效應

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.尺寸效應可以通過調控合成條件或后處理方法來實現。

3.探索尺寸效應對于開發高性能催化劑至關重要。

電子結構調控

1.二維過渡金屬碳化物的電子結構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中的活性。

2.電子結構調控可以通過表面修飾、摻雜或引入缺陷來實

現。

3.電子結構調控為優化傕化劑設計提供了新的思路。

反應條件的影響

1.反應條件，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.反應條件可以調節反應路徑，改變活性位點的構型，或

影響催化劑的穩定性。

3.優化反應條件對于實現高催化效洋至關重要。

催化應用中的結構-活性關系

二維過渡金屬碳化物(2DTMCs)因其優異的催化性能而受到廣泛關

注。它們的催化活性高度依賴于其晶體結構、表面化學和電子結構之

間的復雜關系，這些關系通常被稱為結構-活性關系。

晶體結構的影響

2DTMCs的晶體結構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構,

提供了豐富的活性位點。

表面化學的作用

2DTMCs的表面化學可以通過調控其表面組成和官能團來優化。例

如，在Mo₂C上引入硫摻雜可以顯著提高其氫析出反應

(HER)活性，因為硫原子可以促進水的解離和氫吸附。

電子結構的重要性

2DTMCs的電子結構與它們的催化活性密切相關。例如，d帶電子的

數量和位置會影響催化反應的吸附、活化和解吸步驟。高d帶密度

通常有利于催化反應。

2DTMCs在各個催化應用中的結構-活性關系

*氫析出反應(HER)：高表面積、豐富的活性位點和合適的d帶電

子結構是HER高活性的關鍵因素。

*氧還原反應(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(OER)：高氧化態、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活性需要優化晶體相、表面終止、缺陷類型和電

荷轉移特性。

*其他催化應用：2DTMCs在能量存儲、若催化和電化學傳感等領域

也表現出結構-活性關系。

數據和證據

*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構提

供了更多的活性位點。

*硫摻雜Mo₂C的電化學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通常表現出更好的催化性能。例如,

Fe₇C₃因其高d帶密度而表現出優異的

OER活性。

*優化晶體相和表面化學的2DTMCs可實現高效的

C0₂RR,產生特定產物，如甲烷（CH<sub>4</sub?和乙

烯（C〈sub>2〈/sub〉H〈sub>4〈/sub〉）。

總結

2DTMCs的結構-活性關系在理解和優化其催化性能方面至關重要。

通過控制晶體結構、表面化學和電子結構，可以設計具有高活性和選

擇性的2DTMCs用于廣泛的催化應用中。深入了解結構-活性關系為

2DTMCs在能源轉換、環境修復和工業過程中的應用提供了寶貴的指

導。

第四部分氫能領域的產氫與析氫反應

關鍵詞關鍵要點

電催化析氫反應（HER）

1H.ER是水電解的重要半反應，涉及水分子在陰極催化劑

表面的分解，產生氫氣和氫氧根離子。

2.二維過渡金屬碳化物（TMCs）因其優異的電子結構、高

的電化學活性表面積和優異的穩定性而被廣泛用作HER

催化劑。

3.通過調節TMCs的組成、形態和表面修飾，可以優化其

HER活性，實現高電流密度、低的過電位和優異的長期穩

定性。

電催化產氫反應（HOR）

1.HOR是燃料電池的重要半反應，涉及氧氣在陽極催化劑

表面的氧化，產生質子和電子。

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，實現高活性、低過電位和優異的穩定

性。

光催化析氫反應（PC-HER）

1.PC-HER利用太陽能凈水分解成氫氣和氧氣，是一種清

潔可持續的產氫途徑c

2.二維TMCs具有寬帶隙、高的載流子遷移率和優異的

穩定性，使其成為有前途的PC-HER催化劑。

3.通過光敏劑負載、異質結構構建和表面工程，可以增強

二維TMCs的光吸收、電荷分離和HER活性。

光催化產氫反應（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。

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合，并促進氫氣的解吸。

3.通過耦合二維TMCs與共催化劑、構建異質結構和表

面改性，可以進一步提升PC-HOR性能，實現高效的氫氣

產生。

光電催化析氫反應（PEC-

HER）1.PEC-HER結合了光催化和電催化的優勢，在弱光照條件

下也能實現高效的產氫。

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異的穩定性。

3.通過構建PEC單元、優化電極結構和表面修飾，可以

增強PEC-HER活性，實現高太陽能轉化效率和穩定的氫

氣產生。

光電催化產氫反應（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中表現出優異的活性，因為

它們可以促進電荷分離、抑制電荷復合并提供高效的強化

位點。

3.通過構建異質結構、引入氧空位和表面活性調控，可以

進一步優化PEC-HOR活性，提高燃料電池的整體性能。

氫能領域中的產氫與析氫反應

二維過渡金屬碳化物（MXenes）因其獨特的結構和電化學性能在

氫能領域表現出廣闊的應用前景。它們被廣泛用于產氫和析氫反應,

有助于解決可持續氫能生產和儲存的挑戰。

#產氫反應

MXene用于產氫反應主要通過以下途徑：

*水解反應：MXene與水反應生成氫氣和相應的金屬氧化物。例如，

Ti₃C₂T_x與水反應產生

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，產生H₂和

0₂o

*電催化水分解：MXene薄膜或納米顆粒可用作電催化劑，在電解

水過程中促進析氫反應。

Ti₃C₂T_x和

Nb₂CT_x等MXene在析氫反應中表現出高

的活性和穩定性。

#析氫反應

MXene用于析氫反應主要基于其豐富的活性位點和高電子導電性。析

氫反應涉及以下步驟：

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

*電子轉移：電子從MXene轉移到吸附的質子，形成吸附氫原子

(II*)O

*析氫：兩個吸附氫原子結合形成H₂并從MXene表

面釋放。

MXene的獨特結構和電子性質有利于這些步驟的發生：

*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，促進質子吸附和電子轉移。

*高的電子導電性：MXene的高電子導電性促進電子在材料中的快

速傳輸，加快析氫反應。

*優異的穩定性：MXene在電解液中具有優異的化學穩定性，確保

其長時間穩定運行C

#性能提升策略

為了進一步提高MXene在產氫和析氫反應中的性能，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

電子結構和活性，提高其催化性能。例如，將Co摻雜到

Mo₂TiC₂T_x中可提高析氫反應

的活性。

*復合材料制備：將MXene與其他催化材料復合，例如金屬氧化物

或碳納米材料，可以實現協同效應，提高催化性能。例如，

Ti₃C₂T_x/Co₃0<su

b>4</sub>復合材料在析氫反應中表現出優異的活性。

*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的相互作用，從而提高產氫或析氫反應的

效率。

#應用前景

MXene在氫能領域的產氫和析氫反應中表現出廣闊的應用前景，包括:

*可再生氫能生產：MXene基催化劑可用于從水、生物質和其他可

再生資源中生產氫氣，為可持續氫能經濟做出貢獻。

*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，實現氫能的高效轉化和儲存。

*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，可用于檢測環境中的氫氣濃度。

綜上所述，二維過渡金屬碳化物在產氫和析氫反應中表現出出色的催

化性能和應用潛力。通過進一步的材料優化和性能提升策略，MXene

有望為氫能產業的發展做出重大貢獻。

第五部分碳減排領域的二氧化碳還原反應

關鍵.［關鍵要點

二氧化碳電還原反應

(CO2RR)LCO2RR是一種電化學過程，將二氧化碳轉化為有價值的

化學品，例如甲烷、一氧化碳和乙烯，為碳減排提供了可

持續途徑。

2.二維過渡金屬碳化物(TMCs)作為CO2RR催化劑表現

出優異的活性、選擇性和穩定性，其獨特的晶體結構和電

子性質使其能夠有效促進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，實現對C02RR產物的特定選擇性。

C02RR反應路徑

1.C02RR的反應路徑復雜且多樣，涉及多個質子-電子轉

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.理解和調控反應珞徑對于在TMCs催化劑上提高

CO2RR的產物選擇性和轉化率至關重要。

反應條件

1.CO2RR反應條件，如電勢、pH值和電解質組成，對TMCs

催化劑的性能有顯著影響。

2.優化反應條件可以提高產物選擇性、轉化率和催化劑穩

定性。

3.研究反應條件與催化劑性能之間的關系對于指導

CO2RR過程的理性設廿和優化具有重要意義。

催化劑設計策略

1.通過控制TMCs的合成方法、摻雜水平和缺陷類型，可

以調節其晶體結構、電子性質和表面活性。

2.摻雜策略可以引入新的活性位點，調控電子結構，提高

CO2吸附和還原能力。

3.雜化策略，如TMCs與其他催化材料或導電基底的復合，

可以協同催化CO2RR過程，提高催化效率。

規模化挑戰

1.目前，TMCs催化劑的CO2RR研究主要集中在實驗室

規模，大規模應用面臨著成本、穩定性和催化劑壽命等挑

戰。

2.探索新型合成策略、設計穩定且低成本的TMCs催化劑，

對于實現CO2RR的工業化應用至關重要。

3.優化電解池設計和反應工程可以提高催化劑的利用率

和產物產率。

前沿發展

1.探索具有更高CO2RR活性和可控產物選擇性的新型

TMCs催化劑。

2.利用機器學習和計算建模工具，預測和優化TMCs催化

劑的性能。

3.整合CO2RR技術與可再生能源系統，實現碳中和的電

化學路徑。

碳減排領域的二氧化碳還原反應

引言

隨著全球能源需求不斷增長，追求清潔可持續的能源解決方案已戌為

當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，開發有效的C02

轉化技術至關重要，為碳減排和低碳經濟的發展做出貢獻。

二氧化碳還原反應的催化劑

二氧化碳還原反應(C02RR)是一種將C02轉化為有價值化學品(如

燃料、化學品和材料)的過程。設計高效、選擇性高的催化劑對于

C02RR的實際應用至關重要。二維過渡金屬碳化物(2DTMs)因其

獨特的電子結構和性質而成為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構組成。

它們具有以下特性：

*高表面積：二維結構提供了豐富的活性位點，有利于催化反應。

*可調電子結構：過渡金屬和碳之間的相互作用可以調節2DTMs的

電荷密度，從而可以定制其催化性能。

*化學穩定性：2DTMs通常在C02RR反應條件下表現出良好的化

學穩定性。

2DTMs在C02RR中的應用

2DTMs在C02RR中展示出廣泛的催化應用，可以將C02還原為各

種產品，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化學品，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是一種工業中間體，可以用于合成燃料、化學

品和材料。Fe3c和Mn3C等2DTMs在CORR中表現出優異的活性。

*乙烯(C2H4)：乙烯是世界上生產量最大的基礎化工原料之一。2D

TMs,如CuCo2S4和NiCo2S4,已用于乙煒生產，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，導致CO2RR活

性和產物選擇性各不相同。

*碳配位環境：金屬原子周圍的碳原子的數量和類型會影響催化劑的

電子結構和活性。

*表面缺陷：表面缺陷可以作為活性位點，提高C02RR的催化活性。

*反應條件：溫度、壓力和電解質類型等反應條件會影響催化劑的性

能。

優化2DTMs的C02RR性能

為了優化2DTMs在CO2RR中的性能，研究人員正在探索以下策略：

*結構設計：通過調節金屬類型、碳配位環境和層數來設計具有增強

催化活性和選擇性的新型2DTMs。

*表面改性：通過引入雜質、創建缺陷或負載助催化劑來調制2DTMs

的表面性質。

*電化學調控：通過電位控制、電流密度調整和電解質優化來優化

C02RR反應條件。

結論

二維過渡金屬碳化物在碳減排領域的C02RR中具有廣闊的應用前景。

通過利用其獨特的特性和優化催化性能，2DTMs有望作為高效、選

擇性高的催化劑，為C02轉化和低碳經濟的發展做出重大貢獻。持

續的研究和創新將進一步推動C02RR技術的進步，為全球可持續能

源未來鋪平道路。

第六部分電化學儲能領域的ORR和OER反應

關鍵詞關鍵要點

過渡金屬碳化物在ORR反

應中的應用1.過渡金屬碳化物具有優異的本征電催化活性，能夠有效

降低ORR反應的過電位，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移特性，

有利于吸附和活化氧分干，促進ORR反應過程。

3.通過表面改性、結構調控等策略，可以進一步優化過渡

金屬碳化物的ORR催化性能，提升其穩定性和耐久性。

過渡金屬碳化物在OER反

應中的應用1.過渡金屬碳化物具有良好的成鍵能和電導率，能夠穩定

中間產物的吸附和脫附，促進OER反應的進行。

2.過渡金屬碳化物的表面氧空位和缺陷結構可以作為活性

位點，加快水分子氧化過程，降低OER反應的能壘。

3.通過構建多組分過渡金屬碳化物、引入異質原子或調控

晶相等方法，可以提升OER催化活性，延長催化劑的使用

壽命。

電化學儲能領域的ORR和OER反應

氧還原反應(ORR)

氧還原反應(ORR)是燃料電池和金屬空氣電池的關鍵反應，在這些

電池中，氧氣與燃料(如氫氣或甲醇)反應產生水和電能。ORR的催

化劑選擇對于電池的性能至關重要，因為催化劑決定了反應速率、選

擇性和穩定性。

二維過渡金屬碳化物(2DTMCs)因其獨特的電子結構、高比表面積

和導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具有可調的d帶結構，可以優化氧吸

附和反應路徑。此外，它們的大表面積提供了豐富的活性位點，而高

導電性促進了電荷轉移。

最近的研究表明，2DTMCs,如Co3C,Ni3C和Fe3C,表現出出色的

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

出優異的0RR穩定性，持續20,000個循環后仍能保持高的活性。

氧析出反應(0ER)

氧析出反應(0ER)是水電解的關鍵反應，在該反應中，水被電解產

生氧氣和氫氣。OER的催化劑選擇對于提高電解效率至關重要，因為

催化劑決定了反應速率、選擇性和穩定性。

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電性。2DTMCs表面過渡金屬原子的

高氧化態促進氧物種的吸附和脫附，而碳基質提供電子轉移途徑。

文獻中報道了各種2DTMCs,如Co3C、Ni3C和Mo2C,表現出出色

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個循環后

保持穩定的活性。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出良好的穩定性。

2DTMCs在電化學儲能中的應用前景

2DTMCs在電化學儲能領域顯示出巨大的應用前景，特別是作為0RR

和0ER催化劑。它們的優勢包括：

*可調的電子結構：2DTMCs具有可調的d帶結構，可以優化氧吸

附和反應路徑。

*高比表面積：2DTMCs的大表面積提供了豐富的活性位點。

*高導電性：2DTMCs的高導電性促進了電荷轉移。

*穩定性：2DTMCs在0RR和0ER過程中表現出良好的穩定性。

通過合理的設計和合成，2DTMCs的性能可以進一步提高，使其成為

下一代電化學儲能器件中極具競爭力的催化劑。

第七部分化學儲能領域的催化劑應用

關鍵詞關鍵要點

電化學析氫反應(HER)催化

1.二維過渡金屬碳化物具有優異的導電性和絡合物形成

能力，作為HER催化劑表現出高活性、低過電位和長期

的穩定性。

2.通過控制碳化程度、摻雜和晶面工程，可以優化二維過

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）復合，可以實現協同催化效應，進一步提高HER效

率。

氧還原反應（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反應中氧分子的吸附和活化，從而表現出高

活性和選擇性。

2.通過構筑異質結構或缺陷工程，可以創造出更多的活性

位點并優化ORR反應途徑，增強催化性能。

3.二維過渡金屬碳化物與導電基底（如石墨烯、碳納米管）

結合，可以提高其電化學穩定性和催化活性，滿足燃料電

池和金屬?空氣電池的應用需求。

電化學二氧化碳還原反應

（CO2RR）催化1.二維過渡金屬碳化物作為CO2RR催化劑，能夠有效降

低反應過電位，提高產物選擇性和法拉第效率。

2.通過調控碳化程度和表面修飾，可以優化C02RR反應

中間體的吸附和脫附過程，促進目標產物的生成。

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，可以形成復合催化體系，協同催化C02RR反

應，提高產物產率和穩定性。

化學儲能領域的催化劑應用

化學儲能涉及化學物質存儲能量，這些物質在需要時可以釋放能量。

二維過渡金屬碳化物（2DTMs）因其獨特的電子結構、優異的電導率

和高比表面積而成為有前景的化學儲能催化劑。

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還原為放電反應，而充電反應涉

及氧氣的電化學氧化。

*鋅-空氣電池：2DTMs（如MoSe₂和

Co₃0₄）顯示出優異的氧還原反應（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，改善電池的循環穩定性和可逆性。

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電性和

多硫化物穿梭問題,2DTMs已被應用于鋰-硫電池，以解決這些挑戰。

*硫電極：2DTMs（如MoS₂和

Ti₃C₂T_x）可用作硫電極的摻

雜劑或包覆材料。它們提供導電網絡以增強硫的導電性，并通過物理

或化學結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。這些催化劑優化了反應動力學，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，但由于嚴重的副反應和電池

降解而受到限制