景德镇陶瓷大学曾小军，广东省科学院新材料研究所张小锋CN碳中和：MXene基金属磷化物复合材料的合成及电催化应用研究进展

随着人类多年来对能源的过度开发和不合理利用，能源短缺、环境污染、全球变暖等诸多问题也随之而来。为了应对这些问题并实现“碳达峰”和“碳中和”的目标，氢能产业的发展受到了广泛关注。氢能作为一种清洁、高效、安全、可持续的新能源备受研究者的青睐。电解水制氢是生成纯氢燃料的一种有效途径，具有高效率、无污染、可再生等优点。通常，贵金属铂和金属钌及其氧化物，表现出优异的催化活性。但是，由于贵金属的低存储量和高成本极大地制约了其广泛应用。因此，开发既经济又高效的非贵金属催化剂对于电催化领域的发展显得尤为关键。

石墨烯的显著成就激发了对替代二维（2D）材料的全面研究，如石墨氮化碳、锗烯、六方氮化硼、层状双氢氧化物（LDHs）和黑磷。这类材料具有较大的比表面积和高导电率，是目前众多催化材料的研究热点之一。最近，一类新兴的2D过渡金属碳化物、氮化物和碳氮化物，被称为“MXene”，显示出相当大的应用潜力。自2011年由Barsoum和Gogotsi等人首次发现以来，MXene作为领先的2D材料已经推动了大量的研究（图1a）。利用MXene的独特特征，如可调的表面官能团、丰富的表面缺陷、手风琴状结构、多功能的原子结构和强还原能力，通过不同的合成方法，如共价表面修饰、杂原子掺杂、层间插层和异质结工程等，已经开发了许多MXene衍生物。大层间距和正电荷表面让阴离子能够进入MXene层间，产生嵌入型MXene。在MXene内部，较弱的M–C键可被M–N或M–O键替代，形成氮化物和氧化物的异质结构，能够引起催化剂在两相界面电子的重新排。这些特性，加上它们直接且可扩展的合成，使MXene适合于广泛领域的研究，包括电化学储能、电催化、电磁干扰屏蔽、传感器、水净化和其他领域（图1b）。纯MXene对ORR和OER几乎没有催化活性，但具有较高的电导率和比表面积，可以实现电子的快速转移，有利于O₂向活性中心扩散。MXenes可以用作单原子过渡金属的载体，以改善单原子金属的分散性和稳定性。与其他催化剂结合产生界面偶联，提高催化剂的催化活性。由于金属磷化物具有优异的物理化学性能、丰富的活性位点和成本低等优势常常作为电催化剂研究，但这一类催化剂通常存在容易堆叠和不稳定等问题。为了提高金属磷化物的稳定性并增加其暴露的活性边缘，通常需要与导电碳载体结合以实现有效的电催化。相比其他类型的催化剂载体，MXene具有丰富的官能团，能与金属磷化物之间产生较强的相互作用，使得材料稳定且不易聚集。因此，将高活性的金属磷化物负载于高导电性的MXene上，是提升电催化剂活性的策略，这不仅利用了MXene表面官能团用作原位生长金属磷化物，避免了常见的纳米颗粒团聚现象的发生，而且充分发挥了金属磷化物的高反应活性与基底MXene高导电性等优势互补功能。

图1：（a）2018-2024年在MXene上发表的论文数量（来源：Web of Science, 2024）；（b）不同领域使用的多维碳基MXene复合材料示意图。

景德镇陶瓷大学曾小军教授团队在该工作中阐明了新型MXene载体的制备及其在装载金属磷化物和参与催化反应中的独特作用。阐明了MXene的制备策略，金属磷化物与MXene载体的相互作用，解释金属磷化物活性位点的稳定和电子结构的合理调整。此外，全面总结近年来MXene基金属磷化物复合材料的研究进展，重点介绍异质结构协同效应的研究进展。综述了MXene基金属磷化物复合材料在电催化方面的应用，包括析氢反应（HER）、析氧反应（OER）和氧还原反应（ORR）。最后，介绍了MXene基金属磷化物复合材料高效电催化的一些基本挑战和前景。

1、介绍了MAX（MXene前驱体）的发展。

2、对合成MXene的传统方法（包括HF蚀刻、熔盐蚀刻、电化学蚀刻和水热蚀刻等方法）进行总结。

3、简要总结了基于液相反应、气固相反应和其他方法合成MXene基金属磷化物复合材料的最新进展。还总结了金属磷化物与MXene载体之间的相互作用以及相应的效应。

4、MXene基金属磷化物复合材料在电催化HER、OER、ORR应用的研究进展。

要点1：MAX (MXene前驱体)的研制

图2：（a） 2001年的MAX相由元素周期表中的早期过渡金属M（绿色）、a族元素（蓝色）和第三元素X（金色）组成；（b） 2023显示参与MAX相和MXene形成的元素展开，M元素（浅蓝色），A元素（棕色），X元素（黑色），配体（T）元素（绿色）。

MAX相合成的任何进展或其组成和结构多样性的扩展都直接有利于MXene家族，事实上，许多关于MAX相的研究都旨在制造新的MXene。MAX的发展可以追溯到20世纪60年代，当时Nowotny和Jeitschko首次提出了三元过渡金属碳化物和氮化物的概念。随后，舒斯特等人在20世纪80年代发现了Ti₃AlC₂。2001年，由于这些材料的特殊成分，Barsoum将它们命名为“M_n+1AX_n”相(n = 1、2或3)或MAX相。这些MAX相具有六方晶体结构（P6₃/mmc），由由a原子层分隔的M₆X八面体组成。M₆X八面体中的M - X键本质上是强共价的，而M₆X和A原子层之间的M - A键则弱得多。这种独特的键合结构类似于石墨，使这些MAX具有相同的金属和陶瓷性能。如图2所示，从2001年到2023年，MAX相的M位点和A位点都添加了许多新元素，从而使MAX相的数量从大约50-155个增加。实验合成的M_n+1X_nT_x MXene的元素组成如元素周期表所示，已增至30余种。

要点2：MXene的制备工艺

图3：（a） 层状Ti₃AlC₂ MXene和（b） MXene纳米带的SEM图像；（c）锯齿形Mo-MXene NFs的  合成过程示意图；（d）层状层状Ti₃C₂-Na-TiO₂-MXene纳米纤维的合成工艺；（e） LM-Na-TO NF和（f） LM-Co-TO NP的SEM图像；（g）MAX相的剥离过程和MXene二次电子SEM的示意图，用于（h）处理前的Ti₃AlC₂颗粒，其是未反应MAX相的典型，（I）HF处理后的Ti₃AlC₂，（j）HF处理后的Ti₂AlC，（k）HF处理后的Ta₄AlC₃。

合成MXene的常规方法有HF刻蚀、原位HF刻蚀法、熔盐刻蚀、电化学刻蚀和水热刻蚀等。使用MAX制备MXene的主要方法是去除A层中的原子以形成MXene。这是因为M−X的共价键和离子键比M−A之间的金属键更强。早期研究人员使用HF蚀刻作为制备MXene的方法。在2011年，Gogotsi团队首次公布了一种方法，该方法采用HF蚀刻剂在常温下从Ti₃AlC₂ MXene的中间层有选择性地移除Al原子，成功制备出了呈现2D层状结构的Ti₃C₂。在HF蚀刻中，MAX相必须在特定浓度的水溶性HF中浸泡较长时间，然后离心、洗涤和过滤，直到pH达到4-6。然后，将固体在去离子水溶液中干燥以获得MXenes。所获得的MXenes的表面具有有限终端（-OH、-F、-O和-H）的。需要更短的HF暴露时间。在刻蚀过程中，如HF 的浓度、反应时间和反应温度等条件都会影响MXenes在材料中应用的性能。例如，将刻蚀溶液中的HF浓度从3 wt%增加到7 wt%可以改变并增加产品中缺陷浓度的数量。通过调节反应时间或反应温度来获得所需的MXenes结构是最常见的方法之一。如图3显示的是，采用HF刻蚀流程示意图以及刻蚀后MXene的形貌。

图4：（a）少层Ti₃C₂T_x-MXene合成过程的示意图，（b）少层Ti₃C₂T_x-MXene的XRD图，（c）MXene的SEM图；（d）Ti₂AlC和E-Ti₂CT_x合成过程的示意图。（e）Ti₂AlC MAX相和E-Ti₂CCl_x MXene合成的示意图，（f）E-Ti₂CCl_xMXene的XRD图，（g）E-rGO-Ti₂CCl_x MXene的TEM图；（h）Ti₃AlC₂与二氟化物之间反应的示意图。Ti₃AlC₂与（I）NaHF₂、（j）KHF₂、（k）NH₄HF₂之间的反应产物的XRD图谱。（l）使用NaHF₂剥离Ti₃AlC₂的SEM图；（m）在有机溶剂中用NH₄HF₂刻蚀Ti₃AlC₂获得Ti₃C₂T_x MXene的示意图。

HF是一种极其危险强酸，对人体危害巨大，而且对环境不友好。为了进一步提高MXenes材料制备的安全性，原位HF刻蚀法、LiF+HCl刻蚀法和NH₄HF₂刻蚀法是避免直接使用危险HF的可行替代方案。合成MXenes的HF原位蚀刻是一种非高频刻蚀方法，避免了HF带来的安全隐患。通过典型反应原位生成（方程（4）、（5）），这可以减少或消除HF的直接使用。刻蚀获得的MXenes中的官能团来源于溶剂中的阴离子。在刻蚀过程中，溶剂中的阳离子相当于HF中的H⁺，而阴离子相当于HF的F-，它将与MAX中的A层反应形成MXenes。使用LiF和HCl刻蚀溶液合成Ti₃C₂T_x薄片。与使用单独HF刻蚀剂合成的MXenes相比，由于氟化物或二氟盐阳离子的嵌入，使用原位HF形成刻蚀剂制备的2D碳化钛MXenes表现出更大的层间间距。例如如图4a-c，Zeng.等人采用LiF和HCl混合溶液，成功刻蚀掉Al层，通过增加刻蚀时间获得多层结构，通过超声分离促进层间距扩大，从而形成更薄的多层Ti₃C₂T_x MXene。为了使得MXenes多层材料的电化学性能最佳，需要控制适当的刻蚀时间，避免过渡剥落导致结构破坏导致性能下降。这种方法避免了HF的直接利用，同时具有更高的可控性。图4d所示，Liu.等人报道了通过使用不同的前体，如碳纳米管（CNT）和还原氧化石墨烯（rGO），首先获得Ti₂AlC MAX，然后进行原位熔盐辅助电化学蚀刻，成功地制备了1D和2D Ti₂CT_x MXene（E-Ti₂CCT_x）。现在许研究者开始采用一些更加温和的刻蚀剂对MAX进行处理。例如图4h-l，Feng.等人尝试利用二氟化物(NaHF₂，KHF₂，NH₄HF₂)代替HF刻蚀Ti₃AlC₂，成功在一次反应中制备出具有较大晶面间距的2D多层Ti₃C₂T_x MXene。Michel W. Barsoum等人利用极性溶剂和NH₄HF₂溶液无水合成MXene。在有机极性溶剂无水环境中蚀刻，合成二维(2D)Ti₃C₂T_x MXene，取得了重要进展。图4m所示，Liu.等人也报道了采用不同氟盐（LiF、NaF、KF、NH₄F在不同温度不同刻蚀时间）的方法，均能获得Ti₂C MXene。可以在极性有机溶剂和二氟化氢铵溶液中蚀刻MAX相，而不需要用水就可以得到F(氟)-端的MXene。尽管这种方法需要较少的时间来完全分层制备的多层MXenes，并且涉及较少的化学风险，但刻蚀通常是不完整的，并留下残留的MAX相。因此，产量规模化是一个重要问题。

图5：（a）Ti₃C₂T_xMXene的合成示意图、（b）XRD图和（c）SEM图；（d）多孔MXene的合成示意图和（e）P-MXene L、（f）L-MXene、（g）N-MXene NRs和（h）P-MXene ML的SEM图；（i）2D Ti₃C₂T_x MXene在空气气氛下一锅法合成的示意图；（j）MAX与盐混合物合成平面内多孔Ti₃C₂Cl₂ MXene的示意图；（k）“化学剪刀”辅助的层状过渡金属碳化物的结构编辑策略示意图、（l）从MXene重建MAX相中显示多次刻蚀MAX和重建后样品的XRD图、分别经过（m）一轮、（n）两轮和（o）三轮蚀刻和重建后获得的Ti₃AlC₂的SEM图像，（p）经过三轮刻蚀和重建后的产品横截面图像显示了Ti₃AlC₂片层的堆叠结构和（q）低放大倍数的Sn插层碳化物片层的明场TEM图像。

除了前面两种蚀刻方法外，MAX相前体的路易斯酸熔盐蚀刻法更具安全性，最近已被证明该方法是生产MXenes的有效方法。例如图5i所示，2020年Huang.等人报道了一种路易斯（Lewis）酸熔盐刻蚀方法来剥离MAX相，使用Ti₃SiC₂浸入CuCl₂熔盐中制备的Ti₃C₂来说明蚀刻过程。熔盐刻蚀的另一个关键优点是其环境要求较低，因为熔融盐充当保护介质以通过消除空气接触来防止选择性蚀刻过程中MAX相的氧化。例如图5i所示，Lin.等人报道了采用钛、铝、碳元素作为前驱体形成MAX相化合物，在一个熔盐锅中实现了Cl封端的Ti₃C₂T_x MXene的合成，该方法无需通入惰性气体防止Ti₃AlC₂ MAX相与空气接触而被氧化，而是通过NaCl和KCl熔盐作为保护介质，就可以将合成的Ti₃AlC₂ MAX相原位蚀刻成Ti₃C₂T_x MXene。使用这种一锅合成法制备MXenes的方法，在700 ℃下的原位刻蚀步骤只需要大约10分钟。如图5k-q所示，Huang.等人报道了一篇关于2D范德华（vdW）MXenes衍生物和3D非vdW层状MAX相的结构编辑的方法。该方法涉及使用路易斯酸性熔盐（LAMS）与MXenes结合并将A层与MXenes分离，从而从致密的MAX前体中去除层间原子空位。阳离子充当剪刀，暴露过渡金属原子，并通过阴离子的嵌入产生表面配体。这一化学过程产生了几种新的MAX和MXenes相，它们具有新的嵌入元素、结构和表面化学。通过金属剪刀和原子缝合剂，过渡金属层、碳化物层和非vdW间隙中的离子或原子的添加和去除已经成为可能。

图6：HF蚀刻、原位蚀刻和熔盐蚀刻方法的比较。

图6比较了三种刻蚀MXene的方法，即HF刻蚀、原位刻蚀和熔盐刻蚀法。

要点3：MXene复合金属磷化物的制备工艺

图7：（a）P-V₂CT_x的合成示意图，（b）P-V₂CT_x的SEM图；（c）P-MoO₃ FCL MXene/NF的合成示意图，（d）MXene和（h）P-MoO₃ FCL MXene/NF的SEM图；（f）NiFeMnCoP/Mxene的合成示意图，（n）NiFeMnCoP/MXene的SEM图。

我们简要总结了基于液相反应、气固反应和其他方法合成MXene基金属磷化物复合材料的最新进展。液相磷化的一种常用方法是使用有机磷作为磷源。如图7a-b，Yeoheung Yoon等人报道了以三苯基膦（TPP）为P源，在300–500℃的Ar气氛下对V₂CT_x进行热处理，制备了化学成分可控的P掺杂V₂CT_x。在TPP衍生的膦（PH₃）存在下进行磷酸化后，获得了P掺杂的V₂CT_x（标记为P-V₂CT_x），其可以吸引V₂CT_x中的化学缺陷或空位，产生化学均匀的P掺杂V₂CT_x纳米片。如图7c-e，Jiang.等人首先，通过静电自组装将剥离的S-MXene紧密地涂覆在泡沫镍上。然后，以MXene/NF为底物，以FeCl₃·6H₂O、CoCl₃·6 H₂O和磷钼酸为前驱体，通过简单的一锅水热法，成功地原位合成了与FeCo-LDH纳米线偶联的P-MoO₃异质结构电催化剂。气态-固态磷化反应的共同特点是大多在充满保护气体的管式炉或真空环境中进行。具体而言，一种方法是采用大块或纳米尺寸的金属作为前体，并采用高活性磷蒸汽作为磷源。另一种方法是使用金属氧化物（金属或金属氢氧化物）作为前体和次磷酸盐（NaH₂PO₂、NH₄H₂PO₂）作为磷源。一般而言，在一个瓷舟的两端或者两个分开的瓷舟中分别放置NaH₂PO₂与金属氧化物前驱体，其中磷源位于气流上游位置而金属氧化物处于下游。加热至超过250℃时，NaH₂PO₂迅速分解并释放出PH₃气体，随后PH₃与金属氧化物前驱体发生化学反应，形成金属磷化物。如图7f-g，Liang.等人报道了通过简单的水热和低温磷化制备了NiFeMnCoP/MXene杂化纳米结构高效催化材料（图j）。

图8：MXene基金属磷化物复合材料合成方法的当前挑战和展望。

图8全面概述了MXene基金属磷化物复合材料的合成方法，并分析了这一新兴领域当前面临的挑战和前景。

要点4：MXene基金属磷化物复合材料的电催化应用

图9：（a）NiCoP@MXene的合成示意图，（b）LSV曲线图，（c）TEM图和（d）（001）面上HER的吉布斯自由能图；（e）MXene/MoS_2-xP_x异质结构的合成示意图（f），2D层状Ti₃C₂T_x MXene和（g）Ti₃C₂T_x MXene/MoS_2-xP_x异质结构的SEM图，（h）MXene/MoS₂异质结构和（i）MXene/MoS_2-xP_x异质结构的HRTEM图，（j）LSV曲线图和（k）在2000次CV循环之前和之后的LSV曲线。

如图9a-d所示，Sun.等人报道了利用一种典型的过渡金属磷化物NiCoP晶粒(大小约5 nm)，锚定在Ti₃C₂T_x MXene单层（厚度约1 nm）上，以增强碱性析氢反应(HER)的动力学，当温度从25℃上升到65℃时，NiCoP@MXene的超电势在10 mA cm⁻²时，从71 mV急剧下降到4 mV。在原子-微观/纳米-宏观尺度上，揭示了与没有界面的对应物（NiCoP）相比，NiCoP@MXene可以将动力学能垒降低16.0−22.1%。因此，将金属磷化物在MXenes上的原位生长作为模型催化剂，以揭示界面对Ea的影响，构建高活性HER催化剂的一种有效的策略。除了官能团和空位之外，采用P原子掺杂是提高2D MXenes材料HER活性的最可行策略之一。非金属磷原子掺杂MXenes可以调节其电子性质、表面化学和元素组成。尽管O-封端的MXenes已显示出良好的HER活性，但高氢键强度也限制了其性能。所以，掺杂低电负性的非金属原子可能是一个合适的选择。例如图9e-k，Zeng.等人发现，P掺杂金属负载MXenes带来了良好的导电性，并对H中间体具有适当的吸附和解吸能，调节了HER活性。他们将P元素掺杂到超薄MoS₂纳米片中，通过水热法在2D层状Ti₃C₂T_x MXene上垂直生长，形成Ti₃C₂T_x MXene/MoS2-xPx异质结构，超薄的MoS_2-xP_x纳米片紧密固定在MXene支架上，以提供稳定的异质结构。在0.5 M H₂SO₄下，实现10 mA cm^-2电流密度需157 mV的低过电位，在2000次CV循环后具有可忽略的衰减的优异稳定性，并且在计时电流测试后具有恒定的活性。

图10：（a）蜂窝状MXene/NiFeP_x–NC异质结构的合成示意图，（b）SEM图，（c）LSV曲线图，（d）30 h的长期稳定性测试；（e）H-CNP@M的合成示意图，（f）SEM图，（g）TEM图和（h）OER极化曲线图以及（i）在O₂饱和的0.1 mol/L KOH溶液中的ORR曲线。

一些OER催化剂存在电导率低、易聚集的问题，导致活性表面积低，将其与MXenes结合可以很好地解决这一问题。MXenes和不同尺寸活性材料之间的异质结构工程可以有效地提高杂化物的稳定性和活性。如图10a-d，Zeng.等人为OER设计了蜂窝状MXene/NiFeP_x–NC异质结构优异的催化剂。在1M KOH的碱性条件下，在10 mA cm^-2的电流密度下记录到240 mV的过电位，双电层电容为9.4 mF cm^-2。该设计不仅解决了NiFeP_x-NC导电率低的问题，而且使NiFeP_x-NC均匀分布在MXene上，实现了NiFeP_x-NC的更小尺寸和更大的活性表面积。同时，MXene的亲水性有利于水与催化剂表面接触，大大缩短了离子传输和电荷转移路径。值得注意的是，在2000次测试循环后，电位衰减为7 mV。同时，在长期稳定性测试中，MXene/NiFeP_x-NC的电流密度在电流-时间(i-t)计时电流响应30小时后仅下降3.3%。此外，MXenes上丰富的官能团使其与其他活性材料偶联成为可能。因此将具有高活性的金属磷化物负载在高导电性的MXenes可实现更高活性的电催化剂。如图10e-i，Sun.等人报道了通过添加磷源的量成功合成了基于MXene的含有CoNi/CoNiP异质结构的分级孔结构，该称为H-CNP@M，具有优良的OER和ORR性能的双功能催化剂。H-CNP@M在所有样品中显示出最佳的ORR活性，半波电位（E1/2）为0.833 V，仅比Pt/C低10 mV，并且比其他合成的催化剂和已报道的过渡金属磷化物（TMPs）好得多。

图11：MXene-NiCoP的（a）合成示意图、（b）SEM图、（c）TEM图、（d）在O₂饱和的0.1 M KOH中的ORR极化曲线、（e）Koutecky-Levich分析、（f）自由能路径图以及（g）零电势下的过电势，(h)MXene@NiCoP上碱性ORR机制的示意图。

MXenes被认为是提高金属磷化物等材料ORR性能的理想载体层，适当的界面设计可以产生新的ORR活性位点，调节电子结构，促进氧的吸附。因此，将MXenes和金属磷化物相结合是构建高活性ORR催化剂的一种有趣的策略。例如图11所示，Xie.等人报道了以MXene作为导电基底，NiCoP作为活性成分来构建ORR催化剂。NiCoP包MXene(MXene@NiCoP)通过原位生长和磷化的简单方法制备。MXene表面丰富的官能团为NiCoP纳米线的锚定和生长提供了位点，以防止NiCoP的团聚。导电MXene衬底增强了NiCoP的电子转移和表面活性。

寻找既经济又有效的电催化剂对于通过电化学反应促进可再生能源的转化极其重要。从近几年发表的文献来看，元素周期表中MXene的组成元素数量不断扩大，无疑将有助于新MXene的合成，这将继续为MXene基复合材料的发展提供新鲜血液。在这种发展趋势下，近年来MXene基金属磷化物复合物的电催化水解研究取得了新的进展。本文首先简要概述了MXene的发展。接着概述了MXene基金属磷化物复合材料的制备工艺。最后，重点介绍了用于电催化HER、OER和ORR的MXene基金属磷化物复合材料的研究，揭示了它们的协同效应如何改变催化剂的局部环境，从而暴露足够的活性位点以促进电子和物质转移并保持连续稳定性。尽管已经有了许多新的发现，但仍然存在一些关键的挑战，这些挑战阻碍了为进一步的实际应用设计高性能电催化剂的进展。为此，我们提出了一些挑战和未来展望：

（1）探索MAX相和MXene的组成空间是重要的。MAX相合成的任何进展或其组成和结构多样性的扩展将直接有助于MXene的发展。目前，许多研究报告了未发现的MAX相和MXene的存在。许多MXene已被证明在理论上是稳定的，但只有少数成功制备，导致大多数研究局限于少数常见的MXene。对Ti₃C₂T_x的大部分基础研究已经进行，包括合成优化以及合成和加工参数对MXene的表面化学和性质的影响。因此，系统地研究不同的M、X和n合成和加工条件对MXene的结构、表面化学和性质的影响，对于提高我们对这些材料的理解将具有重要的价值。

（2）MXene制备技术的发展具有重要的研究意义。HF蚀刻是早期用于制备MXene的方法，并且适用于蚀刻大多数MAX相材料。由于与直接使用HF相关的安全问题，研究人员开发了各种原位形成HF的替代方法，以避免直接使用HF。然而，当使用替代方法时，还存在HF腐蚀的问题。因此，后来发展了许多非HF蚀刻方法。虽然这些方法更加绿色环保，但由于技术尚未成熟，仍然存在一些问题。比如卤素刻蚀的MXene良率很低；碱蚀刻需要高浓度的碱，存在安全隐患；电化学蚀刻产生少量MXene，并伴随着无定形碳的产生或蚀刻形成薄的保护性碳层块；高温会阻碍熔盐刻蚀，MXene在高温和氧化环境下容易氧化。因此，探索环境友好、安全、高效、可规模化的合成方法、有效控制表面化学、增强化学稳定性以及深入了解物理性质被认为是促进该领域进一步发展和实现实际应用的关键。目前，寻找环境友好、高效的大规模生产MXene的技术已成为研究热点。

（3）在制备MXene基金属磷化物复合材料的过程中，磷化过程中往往会产生有毒的PH₃气体，这给材料的大规模应用带来了潜在的安全和环境风险。因此，制定有效的策略来防止和避免PH₃泄漏尤为重要，这不仅有助于保护操作人员的健康和环境安全，也是该材料商业化的关键前提。此外，金属磷化物的粒度和形貌的控制也是目前合成工艺面临的挑战。这些因素直接影响催化剂的性能，包括活性、选择性和稳定性。为了实现高效环保的合成过程，研究人员正在探索使用绿色无污染的磷源，并简化该过程，同时开发能够精确控制产品尺寸、形态和化学成分的方法。该工艺不仅有利于提高材料的催化性能，而且可以实现MXene基金属磷化物复合材料的量产和商业化。

（4）MXene基金属磷化物复合材料在酸性介质中的催化性能尚不理想。目前，该材料在碱性介质中电催化OER的研究取得了一定进展，但在酸性介质中HER和OER以及在酸基介质中ORR的研究成果非常有限。此外，该材料在酸性介质中易受腐蚀，反应动力学缓慢，稳定性远不如贵金属催化剂，这大大限制了其在电催化水分解中的应用前景。开发易于操作、形态可控、低毒、稳定的合成技术。将双金属磷化物扩展到更多负载多金属磷化物的材料，并探索其与MXene的络合作用，以改善酸碱电解质下的电催化性能。为MXene基金属磷化物异质结构纳米材料的设计和改进提供思路和指导。因此，这方面的挑战值得进一步探索，并可能为构建新型酸性催化剂体系开辟新的可能性。

（5）催化机理仍有许多未解之谜。由MXene基金属磷化物复合材料构建的异质结构具有优异的催化活性和稳定性。高活性金属磷化物与高导电性MXene之间的相互作用降低了表面功函数，提高了催化剂的稳定性，避免了颗粒聚集，增加了活性位点的利用率，从而提高了电催化活性。然而，除了配位结构外，关于这些异质结界面的更详细的信息似乎仍然缺乏。在电催化水分解反应中，真正的活性位点和确切的催化机理还有待进一步阐明。金属中P的掺杂方式，是以过渡还是间隙的形式，形成有序还是无序的固溶体，目前还不清楚，需要开展一些原位表征来揭示P的掺杂机理，这对于研究P对金属电催化活性的影响是非常重要的。因此，需要进一步加深对复杂反应机理的理解，以指导有效的调制策略来加速MXene基金属磷化物复合材料的催化过程。

（6）确定MXene基金属磷化物复合材料在电催化反应中的活性位点仍然是一个挑战。全面了解电催化剂的结构演变和电化学过程中真正活性物质的鉴定对于确定电催化剂的活性位点至关重要。然而，非原位表征技术不能准确地描述中间体及其在电催化过程中与MXene基金属磷化物复合材料的相互作用。因此，应用强大的原位表征技术，包括operando XAS，原位SEM，原位拉曼光谱和其他互补表征技术，对于阐明真正的界面结构和反应中间体至关重要。这有助于修正理论模型，深入了解电催化反应机理，确定真正的活性位点，从而为开发具有高效电催化活性的MXene基金属磷化物复合材料提供指导。

（7）理论计算中有一些误差。虽然理论计算被广泛认为是一种强有力的方法，并为指导催化剂设计提供了有价值的见解，但仍有一些未解决的问题。例如，通常假设金属磷化物的理论模型是理想的单晶表面，但实际上，它大部分是多晶的，这导致模拟和实验结果之间的差异。此外，在电催化OER中，尽管理论模型经常使用表面氧化的金属磷化物来计算反应能垒，但实验结果表明表面可能转化为氧化物或氢氧化物。MXene的结构稳定性、性能和性质的建模和模拟预测已经取得了一些基础性进展。然而，MXene的许多物理性质的理论极限仍有广阔的探索空间，如从铁磁性到拓扑绝缘体行为的转变，有待实验验证。因此，我们需要将催化剂的结构或形态与静态理论模型相结合，以进行更准确的理论模拟。

总之，最近的工作见证了MXene基金属磷化物复合材料在多功能电催化技术中缓解棘手的能源和环境问题的潜力。尽管面临巨大的挑战，但预计正在进行的理论计算和实验研究工作将使最好的MXene基金属磷化物催化剂推向市场。因此，清洁和可持续的社会有望在不久的将来实现。

第一作者：苏恒均

苏恒均，景德镇陶瓷大学材料科学与工程学院硕士研究生，导师张小锋研究员、曾小军教授。他目前的研究兴趣主要集中在能源催化的先进纳米材料的开发。

通讯作者：张小锋

张小锋，正高级工程师，博士，广东省科学院新材料研究所 (现代材料表面工程技术国家工程实验室) 热喷涂研究中心副主任，广州市科协第十一届委员会委员，国家优青、广东省杰青、珠江新星。至今，以第一/通讯(含共同)在Nat. Commun.、Mater. Sci. Eng. R.等期刊发表SCI论文82篇，授权国家发明专利35件。担任《材料研究与应用》执行主编以及J. Adv. Ceram.、Rare Metals青年编委。主持GF973项目课题、两机国家重大专项课题等十余项涂层项目。

通讯作者：曾小军

曾小军，博导，教授，江西省主要学科学术和技术带头人，景德镇陶瓷大学先进陶瓷材料研究所副所长，电磁功能材料科研创新团队负责人。北京航空航天大学博士，美国加州大学河滨分校联合培养博士，美国加州大学圣塔芭芭拉分校博士后。连续入选爱思唯尔数据库2022年-2024年度《全球前2％顶尖科学家榜单》，荣膺第二十二届“瓷都十大杰出青年”、2022年景德镇市“最美科技工作者”。兼任SCI期刊J. Adv. Ceram.编委、Rare Metals和Prog. Nat. Sci.青年编委，中国复合材料学会电磁复合材料分会委员，中国硅酸盐学会建筑卫生陶瓷专业委员会委员。主要研究方向包括电磁功能材料（吸波、屏蔽）以及能源催化材料（电催化水解、燃料电池、超级电容器）。以第一/通讯作者发表论文80余篇，其中，SCI论文70余篇，总引用次数3000余次。

Carbon Neutralization是温州大学与Wiley共同出版的国际性跨学科开放获取期刊，立志成为综合性旗舰期刊。期刊于2022年创刊，名誉主编由澳大利亚新南威尔士大学Rose Amal院士担任，主编由温州大学校长赵敏教授和温州大学碳中和技术创新研究院院长侴术雷教授担任，编委会由来自10个国家和地区的22名国际知名专家学者组成，其中编委会14位编委入选2023年度全球“高被引科学家”，8名编委入选爱思唯尔2022“中国高被引学者”。且期刊已被ESCI、DOAJ数据库收录。

Carbon Neutralization重点关注碳利用、碳减排、清洁能源相关的基础研究及实际应用，旨在邀请各个领域的专家学者发表高质量、前瞻性的重要著作，为促进各领域科学家之间的合作提供一个独特的平台。