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Rational Design of Two-Dimensional Transition Metal Carbide/Nitride (MXene) Hybrids and Nanocomposites for Catalytic Energy Storage and Conversion

合理设计 材料科学 催化作用 碳化物 纳米复合材料 过渡金属 能量转换 氮化物 纳米技术 储能 金属 化学工程 冶金 化学 有机化学 功率(物理) 图层(电子) 物理 热力学 工程类
作者
Kang Rui Garrick Lim,Albertus D. Handoko,Srinivasa Kartik Nemani,Brian C. Wyatt,Haiying Jiang,Junwang Tang,Babak Anasori,Zhi Wei Seh
出处
期刊:ACS Nano [American Chemical Society]
卷期号:14 (9): 10834-10864 被引量:536
标识
DOI:10.1021/acsnano.0c05482
摘要

Electro-, photo-, and photoelectrocatalysis play a critical role toward the realization of a sustainable energy economy. They facilitate numerous redox reactions in energy storage and conversion systems, enabling the production of chemical feedstock and clean fuels from abundant resources like water, carbon dioxide, and nitrogen. One major obstacle for their large-scale implementation is the scarcity of cost-effective, durable, and efficient catalysts. A family of two-dimensional transition metal carbides, nitrides, and carbonitrides (MXenes) has recently emerged as promising earth-abundant candidates for large-area catalytic energy storage and conversion due to their unique properties of hydrophilicity, high metallic conductivity, and ease of production by solution processing. To take full advantage of these desirable properties, MXenes have been combined with other materials to form MXene hybrids with significantly enhanced catalytic performances beyond the sum of their individual components. MXene hybridization tunes the electronic structure toward optimal binding of redox active species to improve intrinsic activity while increasing the density and accessibility of active sites. This review outlines recent strategies in the design of MXene hybrids for industrially relevant electrocatalytic, photocatalytic, and photoelectrocatalytic applications such as water splitting, metal-air/sulfur batteries, carbon dioxide reduction, and nitrogen reduction. By clarifying the roles of individual material components in the MXene hybrids, we provide design strategies to synergistically couple MXenes with associated materials for highly efficient and durable catalytic applications. We conclude by highlighting key gaps in the current understanding of MXene hybrids to guide future MXene hybrid designs in catalytic energy storage and conversion applications.
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