综述：MXene量子点基材料在能量收集中的可持续发展

《Journal of Environmental Chemical Engineering》：Sustainable Development of MXene Quantum Dots-based Material for Energy Harvesting

本综述系统阐述了MXene量子点(MQDs)作为一种新兴零维材料在能量收集领域的独特优势与应用前景。文章重点分析了MQDs相较于其母体MXene纳米片所展现出的更高稳定性、导电性及丰富的表面活性位点，并详细探讨了其表面官能团（如-OH、-O、-F等）修饰对提升太阳能电池、氨合成(NRR)和二氧化碳还原(CO2RR)等能量收集性能的协同促进机制。通过对近五年文献的全面回顾，作者指出通过尺寸限域效应、异质结构建及表面工程策略可有效优化MQDs的光电转化效率与催化选择性，为应对能源危机与环境污染提供了有前景的材料解决方案。

　　

引言

气候变化与能源短缺是当今全球面临的重大挑战。能量收集技术作为一种可持续解决方案，不仅能减少环境中温室气体等有害物质的浓度，还能将其转化为有价值的燃料或化学品，从而同时应对环境和能源问题。在众多候选材料中，MXene量子点(MQDs)因其独特的零维结构、优异的电导率、丰富的表面活性位点以及可调控的物理化学性质，在能量收集领域展现出巨大潜力。

MXene量子点的特性与优势

MXene量子点是通过将二维MXene纳米片进一步加工成尺寸通常小于10纳米的零维材料而获得的。这种尺寸上的限域效应为MQDs带来了诸多超越其母体材料的优异特性。首先，其极高的比表面积和丰富的边缘位点提供了大量的催化反应活性中心。其次，MQDs通常具有半导体行为，有助于光生电子-空穴对的产生和分离，从而提升光催化性能。此外，MQDs表面富含的官能团（如-OH、-O、-F等）不仅影响其表面电荷状态，还能通过修饰进一步优化其能带结构、电荷迁移速率以及与其他材料复合时的界面相互作用。

在稳定性方面，MQDs通常表现出优于大尺寸MXene纳米片的胶体稳定性和化学稳定性。其小尺寸和表面官能团的钝化作用有助于减少在水系环境或空气中的氧化和团聚倾向，这对于实际应用至关重要。

表面官能团的作用

表面官能团是调控MQDs能量收集性能的关键因素。常规合成方法引入的官能团（如-F, -OH, -O）对催化性能有显著影响。研究表明，对于Mo基和Ti基MQDs，-F官能团的含量过高可能会降低其能量收集性能，而富含-O官能团的表面则更有利于二氧化碳还原反应(CO₂RR)中甲酸(HCOOH)路径的选择性，而非甲烷(CH₄)路径。这是因为-O端基能更有效地稳定*HCOOH中间体。

除了常规官能团，通过熔融盐蚀刻等非传统方法还可以引入-S、-Se、-Te、-NH₂、-Br、-I等非常规官能团。这些官能团的引入可以进一步精细调控MQDs的电子结构和表面性质，从而为其在氢析出反应(HER)、氮还原反应(NRR)和CO₂RR等特定催化应用中的高性能设计提供了更多可能性。

在太阳能电池中的应用

太阳能电池是将光能直接转化为电能的装置。将MQDs集成到太阳能电池中，特别是钙钛矿太阳能电池(PSCs)的电子传输层(ETL)或空穴传输层(HTL)中，可以显著提升器件性能。例如，将Ti₃C₂MQDs与SnO₂ETL复合，MQDs可以钝化SnO₂表面的缺陷，同时与钙钛矿层中的Pb²⁺离子发生相互作用，改善钙钛矿薄膜的结晶质量。这有助于减少非辐射复合损失，提高电荷提取和传输效率，从而使PSCs的光电转换效率(PCE)从17.44%显著提升至21.63%，并增强了器件在室温和高温下的长期稳定性。

另一项研究将MQDs与NiO_x纳米颗粒结合用于PSCs的空穴传输层。MQDs的加入使得NiO_x薄膜更加均匀致密，改善了与自组装单分子层(SAM)的接触，从而获得了高达22.96%的PCE。基于此材料构建的半透明PSCs以及与硅电池组成的叠层太阳能电池也表现出优异的稳定性。

在氨合成中的应用

氨(NH₃)是重要的化工原料和潜在的无碳燃料。传统的哈伯-博世法合成氨过程能耗高且伴随大量温室气体排放。电化学氮还原反应(NRR)是一种在温和条件下将N₂转化为NH₃的绿色替代途径。然而，NRR面临N≡N键难以活化以及竞争性HER反应等挑战。

MQDs因其高比表面积和可调节的电子结构，为负载高分散的金属催化剂（如Ru纳米颗粒）提供了理想平台。例如，N或S掺杂的Ti₃C₂MQDs与Ru复合后，在NRR中表现出高活性和选择性。密度泛函理论(DFT)计算表明，掺杂和Ru的引入优化了氢吸附自由能(ΔG_H*)，抑制了HER，从而提高了NRR的法拉第效率(FE)和氨产率。

此外，将MQDs与铜(Cu)等过渡金属构建异质结（如MQDs/Cu），可以利用界面处的协同效应增强N₂的吸附和活化，降低反应能垒，实现高效的NRR过程。光催化NRR也是研究热点，MQDs/ZnIn₂S₄杂化材料通过形成Ti-S键促进了电荷分离和迁移，显著提高了光催化合成氨的速率。

在二氧化碳还原中的应用

将CO₂转化为CO、CH₄、HCOOH等高附加值化学品，是实现碳循环和缓解温室效应的有效策略。MQDs基材料在光催化和电催化CO₂还原(CO₂RR)中表现出色。

例如，MQDs/MoS₂复合材料用于光催化CO₂还原，MQDs作为电子受体和传输体，有效促进了光生电荷的分离，抑制了电子-空穴对的复合，从而提高了CO的生成速率和循环稳定性。构建p-n异质结是另一种有效策略，如MQDs修饰的g-C₃N₄/BiOI异质结，其内部电场与MQDs的富电子表面协同作用，增强了可见光吸收和CO₂吸附活化能力，提升了CO₂还原性能。

更为复杂的异质结构，如CsPbBr₃/Ti₃C₂MQDs/Bi₂O₂CO₃，通过界面工程诱导了强大的界面电场(IEF)，实现了Z-Scheme电荷转移，显著延长了载流子寿命，从而实现了高效的CO₂还原为CO和少量CH₄，并展现出良好的循环稳定性。

挑战与未来展望

尽管MQDs在能量收集领域前景广阔，但仍面临一些挑战。首先，精确控制MQDs的尺寸和形貌的合成方法仍需发展，微流控和自组装技术可能是未来方向。其次，MQDs，尤其是富含负电官能团的，在应用环境中易氧化的问题需要解决，可通过表面包覆或使用抗氧化剂来提高稳定性。再次，通过构建异质结、掺杂或制造空位等表面工程策略进一步提升其能量收集性能和稳定性是研究重点。

未来，利用先进的原位表征技术（如Operando光谱）和理论计算（如DFT）深入理解反应机理，结合机器学习(ML)和人工智能(AI)预测新材料结构，将加速高性能MQDs的开发。最终，将高性能MQDs集成到可扩展的电化学反应器或光电器件中，是实现其实际应用的关键步骤。

结论

MXene量子点作为MXene家族从二维到零维的延伸，凭借其尺寸限域效应、丰富的表面化学和可调控的光电特性，在太阳能转化、氨合成和二氧化碳还原等能量收集领域展现出显著优势。通过表面官能团工程和复合结构设计，可以进一步优化其催化活性、选择性和稳定性。尽管在可控合成和长期稳定性方面仍存在挑战，但随着合成技术、表征方法和理论模拟的进步，MQDs有望在未来可持续能源技术中发挥重要作用。