单原子催化剂（SACs）以其独特的选择性、高催化性能和较强的耐久性，显示出其显着的潜力并逐渐成为催化领域的新宠。在SACs的合成中最重要的因素是适当的载体的选择和金属-载体相互作用的形成。在众多纳米材料中，MXenes 具有大比表面积、可调节的带隙、优异的电子导电性和强稳定性，可用作固定 SAC 的良性载体。 MXenes 的结构和性质可以通过改变过渡金属元素和表面终止基团来控制。
有鉴于此，湖南大学黄丹莲教授和赖萃副教授等人，综述了MXenes作为负载单原子催化剂优异载体的研究进展。
本文要点
1）从结构和性能两个方面分析了MXenes作为负载SACs的优异载体材料的独特性和优越性。综述了MXene负载SACs的合成策略，特别强调了利用强大的金属-载体共价配位相互作用来固定孤立原子以防止聚集。此外，重点介绍了mMXene负载的SACs在电催化领域的应用，包括析氢反应、析氧反应、水裂解、氧还原反应和氮还原反应。最后，指出了MXene负载的SACs在电催化中的进一步研究和实际应用所面临的挑战和前景。
2）MXenes因其可调节的带隙、高比表面积、出色的电子导电性和载流子迁移率以及高的机械稳定性而被认为是很好的选择。此外，产生的不稳定金属空位缺陷和带负电荷的表面终止基团有利于金属离子的吸附和还原，从而在 MXene 层状纳米材料上形成单原子在MXene层状衬底上锚定单个金属原子可以改变其局部电子结构，形成独特的反应途径。此外，MXene 负载的 SACs 还表现出促进电荷载流子转移、暴露丰富的活性位点、对各种反应的高选择性和强耐久性等优点，可以提高电化学能量转换的催化性能。
3）尽管MXene负载的SACs在能量转换方面的研究已经得到广泛开展，但仍有许多巨大的挑战值得进一步研究和解决。首先，尽管在 MXene 载体上锚定单个原子已被证明是增强电化学能量转换的有效策略，但是，MXene 负载的 SAC 显示出不同的催化活性，这归因于不同的配位环境。因此，在原子尺度上准确设计和调整SACs的配位数成为一个非常重要的需要解决的障碍。其次，MXene 负载的 SAC 已经通过多种策略成功构建，但大多数都难以实现规模化生产，这阻碍了它们的工业应用。第三，MXene 负载的 SAC体系中单个金属原子的价态通常为正氧化态，这是由于在选定的MXene载体中，电子从单个原子转移到其配位原子。然而，传统的SACs揭示了未知的电子和化学结构，不利于活性位点的识别和催化机理的阐述。第四，MXene 负载的 SAC 系统的金属-载体共价配位相互作用在提高电催化活性方面起着重要作用。然而，它的存在对电子结构、对各种反应的选择性和稳定性的影响尚不清楚。第五，目前实验条件下一般采用Ti3C2TX和Mo2CTX作为约束单原子的载体，SACs的种类主要是过渡金属元素。因此，探索其他MXenes作为锚定SACs的载体和在MXenes上制造无金属SACs的可能性是未来3 - 5年的关键进展。最后，目前MXene负载的SAC主要用于电化学HER，OER，OWS，ORR和NRR反应，而电催化CO2还原的应用却很少。
参考文献：
Mingming Zhang et al. MXenes as Superexcellent Support for Confining Single Atom: Properties, Synthesis, and Electrocatalytic Applications. Small, 2021.
DOI: 10.1002/smll.202007113
https://doi.org/10.1002/smll.202007113
