上海师范大学李辉，今年首篇Nature Synthesis！

学术 2024-10-10 08:01 广东

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研究背景

二维材料，尤其是MXene，因其独特的物理和化学性质而成为了研究热点。这些材料在催化、传感和生物技术等领域的广泛应用潜力引起了科学界的高度关注。然而，在二维MXene材料表面精确控制金属纳米结构的合成过程仍面临诸多挑战，包括金属前驱体、载体、还原剂、溶剂之间复杂的相互作用。这些因素的错综复杂使得实现金属的精准调控变得困难。

成果简介

有鉴于此，上海师范大学李辉教授团队在Nature Synthesis期刊上发表了题为“Metal/MXene composites via in situ reduction”的最新论文。针对这一问题提出了一种基于原位还原策略的研究方法。他们通过系统研究金属在MXene表面成核和生长的过程，深入分析了氧化还原电位、金属配位环境及晶格失配度对金属沉积的影响。

研究结果表明，金属在MXene表面的沉积过程遵循特定规律，从单原子到团簇再到纳米颗粒的转变。同时，研究团队成功合成了多种结构可控的金属/MXene复合材料，如AgAu-Edge/Ti3C2Tx和Pd@Au-Edge/Ti3C2Tx等。该研究不仅为理解金属在MXene材料上的沉积机制提供了新视角，还为开发新型金属/MXene复合材料奠定了基础。这些成果为催化、传感和生物技术等领域提供了可定制化的新材料选择，展示了金属与二维材料复合物在未来的巨大应用潜力。

研究亮点

（1）实验首次在水相环境中研究了多种金属（Au、Pd、Ag、Pt、Rh、Ru和Cu）在Ti3C2Tx MXene表面的原位还原沉积，得到了具有精确结构的金属/MXene复合材料。

（2）通过原位还原策略，团队成功实现了金属从单原子到纳米颗粒的转变，揭示了金属在MXene表面沉积的一般性规律。研究表明，金属的氧化还原电位、配位环境和晶格失配度对金属沉积过程起着关键作用。

（3）具体而言，Au、Ag和Pd在不同负载下展现出不同的沉积特征，其中Au纳米颗粒均匀沉积于Ti3C2Tx MXene的边缘，而Pd则表现为虫状结构。此研究为金属在MXene材料上的成核和生长提供了深入理解，有助于设计出具有特定活性位点的催化材料。

图文解读

图1. 原位还原过程-成核和生长的初步探索。

图2. 原位还原过程中的Ti浸出。

图3. Au沉积位点的选择性。

图4. Pd的尺寸分布。

图5. 原位还原沉积过程概述。

结论展望

本文通过原位还原策略，研究揭示了金属在MXene表面沉积的普遍规律，特别是金属的氧化还原电位、配位环境及晶格匹配度对沉积过程的关键影响。这些发现为精准控制金属的尺寸、位置和结构奠定了理论基础，有助于深入理解金属的活性位点，从而优化催化性能。

其次，研究表明，不同金属在MXene上的沉积行为各异，这提示我们可以利用这一特性，通过调整金属种类及其负载量，实现多样化的复合结构，满足不同应用需求。此外，本文探讨的沉积机制不仅适用于Ti3C2Tx，还可推广至其他MXene材料，进一步扩展了金属/MXene复合材料的应用范围。

最后，这一研究为开发高性能催化剂、传感器和其他功能性材料提供了新的思路，推动了二维材料与金属异质结构的结合，为未来在能源、环境和生物技术等领域的应用奠定了基础。

文献信息

Zhang, Q., Wang, Ja., Yu, Q. et al. Metal/MXene composites via in situ reduction. Nat. Synth (2024). https://doi.org/10.1038/s44160-024-00660-z

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