原位还原技术: 实现金属在二维材料上的精确沉积！

【研究背景】

二维材料是材料科学领域的重要研究方向，因其在催化、传感、电子和光子等领域的广泛应用而备受关注。与传统的纳米材料相比，二维材料具有更大的比表面积、更优越的电学性质和良好的机械性能等优点。然而，二维材料的合成和功能化过程中也存在金属分布不均、尺寸控制困难等问题，因此带来了精确调控金属纳米结构的挑战。

近日，来自上海师范大学化学与材料科学学院的李辉教授团队在《Nature Synthesis》上发表了一项研究，取得了显著进展。该团队设计了一种基于MXene材料的金属复合材料合成策略，成功实现了在Ti3C2Tx表面通过原位还原生长Au、Pd、Ag、Pt等金属。这一研究利用MXene材料作为还原载体，显著提高了金属的负载能力和结构可控性，成功获取了多种可调结构的金属/MXene复合材料。

研究中，该团队总结出了金属在MXene表面沉积的一般性规律，包括氧化还原电位、金属配位环境和晶格匹配度对金属沉积位置和尺寸的影响。这些指导原则为实现金属在MXene材料上的精确调控提供了理论基础。此外，研究表明，Au纳米颗粒可以均匀地沉积在MXene的边缘，这一特性为调控金属异质结构的设计提供了新思路。

通过这一原位还原策略，研究人员成功合成了多种结构可控的金属/MXene复合材料，如AgAu-Edge/Ti3C2Tx、Ag@Au-Surface/Ti3C2Tx等。这些新型复合材料在催化、传感和生物技术等领域具有潜在的应用前景，为未来材料的设计和功能化开辟了新的路径。

【表征解读】

本文通过透射电子显微镜（TEM）、扫描电子显微镜（SEM）、X射线衍射（XRD）、X射线光电子能谱（XPS）等多种先进表征手段，深入探讨了Ti3C2Tx MXene基底上金属和合金的合成过程及其微观结构特征，从而揭示了金属离子在MXene表面和边缘的吸附行为及其对电催化性能的影响。通过这些表征，本文进一步解析了金属与MXene相互作用的微观机理，揭示了不同金属离子在Ti3C2Tx表面吸附位置的差异及其对材料性能的影响。

针对不同金属负载的合金材料（如AgAu-Edge/Ti3C2Tx、Ag@Au-Surface/Ti3C2Tx等）表征发现，在MXene的边缘和表面位置加载金属离子会显著改变其电化学性能，提升催化活性。通过XPS分析，进一步确认了金属在MXene表面的化学状态及其与Ti3C2Tx的相互作用。此外，结合TEM和SEM图像，作者观察到金属纳米粒子的分布及形态特征，进而得到MXene基底上形成的独特结构与性能的关系。

在此基础上，通过电子显微镜表征（SEM和TEM）、能谱分析（EDX）等多种表征手段，作者得到了各类合金和核壳结构在Ti3C2Tx上的分布特征和组成信息，结果显示，金属粒子的分布密度及其在MXene表面的排列方式对催化活性具有重要影响，特别是在电催化反应中，边缘和表面的金属负载对提高反应活性起到了关键作用。

通过XRD分析，作者确认了材料的晶体结构和相信息，进一步探讨了金属与MXene之间的相互作用及其对材料结构稳定性的影响。同时，结合电化学工作站的测试结果，作者发现，经过表征和分析后，所制备的合金材料在电催化反应中展现出了优异的性能，为新型电化学催化材料的开发提供了重要数据支撑。

总之，经过综合的表征技术，作者深入分析了Ti3C2Tx MXene基底上金属和合金的合成及其催化特性，进而制备出新型的M/Ti3C2Tx材料，这一新材料的合成与表征不仅推动了MXene及其衍生材料在电化学催化领域的发展，也为未来相关应用提供了理论依据和实践指导。作者的研究结果为设计新型高效催化剂和推动电催化技术的进步奠定了基础。

【图文速递】

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。

【科学启迪】

本文的研究揭示了通过原位还原策略合成金属/MXene复合材料的潜力，提供了对金属沉积行为的深刻理解。该研究强调了在金属纳米结构的合成中，精确调控其大小、位置和结构的重要性。这一策略的成功应用，不仅为催化、传感和生物技术等领域带来了新的材料选择，也为作者深入理解金属活性位点的形成机制提供了基础。

研究中发现，氧化还原电位、金属配位和晶格失配等因素在金属沉积过程中起着关键作用。通过调节这些参数，研究人员能够控制金属在MXene材料表面的生长，进而实现对复合材料性能的精准调控。这一发现不仅扩展了MXene材料的应用范围，也为其他二维材料的合成提供了新思路。

此外，该研究表明，MXene材料作为还原载体的独特性质，使其能够在不需要额外还原剂的情况下实现金属的高效负载。这一进展为设计新型功能性复合材料铺平了道路，激励科研人员在金属/二维材料复合物的开发上进行更深入的探索。

参考文献：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