MXene量子点（MQDs）作为一种有前景的纳米级平台，已被用于可持续能源转换。由于量子限制效应，MQDs展现出离散的电子态和高表面积与体积比，同时继承了其母体MXenes优异的导电性和化学可调性。这些综合特性提供了丰富的边缘活性位点以及高效的电荷传输能力，使MQDs在电催化和光催化反应中表现出色。在许多情况下，MQDs的催化活性可与贵金属催化剂相媲美，且不依赖于稀有元素。本研究系统地探讨了控制MQD性能的结构-活性关系，重点关注了杂原子掺杂、表面终止以及混合材料设计在调节吸附行为、氧化还原动力学和电荷转移过程中的作用。特别关注了量子限制和边缘化学如何改变电子结构和反应能垒，这些通过互补的实验表征和理论建模得到了揭示。讨论还扩展到了电化学储能应用以及基于MQD的材料的工业潜力。在这些系统中，MQDs缩短了离子扩散路径，增强了电极-电解质接触，并促进了法拉第电荷存储机制，表明了未来的发展机会。尽管取得了这些进展，但仍存在挑战，包括有限的长期稳定性、对活性位点理解不足，以及需要能够精确控制表面化学的可扩展合成方法。通过合理的材料设计和原位或操作研究来解决这些问题，对于推动MQDs向下一代催化和储能技术发展至关重要。
1. 引言
随着工业发展和科学进步，能源需求持续增长。同时，化石燃料的持续使用引发了关于资源枯竭和环境破坏的担忧。这些问题使得向可持续和可再生能源的转变变得越来越重要。太阳能、风能、潮汐能和生物质能等可再生选项已经在使用中，但它们的输出强烈依赖于天气和当地条件，这限制了它们在大规模应用中的可靠性。因此，电化学能源转换和存储技术，如燃料电池、电解槽、金属-空气和金属离子电池以及超级电容器，受到了越来越多的关注。在这些系统中，性能在很大程度上取决于所使用的电极材料和电催化剂，因为它们的表面活性、电荷传输能力和结构稳定性直接影响效率和长期运行。
此外，对于高效和可持续的能源转换和存储材料的需求仍然是材料科学中的一个主要问题。自2011年首次报道以来，MXenes作为一类重要的材料应运而生。这些二维（2D）过渡金属碳化物和氮化物因其结合了高导电性、亲水表面、大量的活性位点以及灵活的化学组成而引起了广泛兴趣。这些特性使得MXenes特别适合用于电化学应用。结构上，MXenes通常由公式Mn+1XnTx表示（其中M代表Ti、V、Nb或Mo等早期过渡金属，X代表碳或氮，T对应于包括-O、-OH和-F在内的表面终止）。由于这些特性，MXenes已被广泛研究用于能源转换反应，包括氢演化反应（HER）、氧演化/还原反应（OER/ORR）和氮还原反应（NRR），以及用于电池和超级电容器等储能设备。最近，将MXenes还原为零维（0D）量子点（QDs）开辟了新的可能性。这种尺寸的减小引入了量子限制效应，并大大增加了边缘位点的比例，这两者都可以影响电化学行为。当MQDs的大小接近激子玻尔半径时，它们的光学、电子和催化性质变得强烈依赖于尺寸，导致离散的能级和可调的带隙。因此，可以更有效地调整载流子动力学，这对于催化反应、光驱动过程和储能应用非常重要。通常小于10纳米的MQDs提供了几个优势，如高表面积与体积比、更快的电子传输、由于量子限制而改变的带结构，以及与其他功能材料的良好兼容性。这些特性共同使得MQDs成为各种电化学系统的有希望的候选者，特别是那些需要快速反应动力学和长期循环稳定性的系统。
虽然MQDs与其他量子点（如碳基量子点如碳点和石墨烯量子点，以及半导体量子点如CdSe或ZnS）具有相似的纳米级特性，但它们在组成、导电性和表面化学上存在根本差异。传统的量子点通常需要掺杂或钝化才能达到稳定性和理想的电子性质，而MQDs天然具有类似金属的导电性和丰富的表面官能团。它们的过渡金属中心和层状晶体起源提供了高密度的电子态和大量的可访问活性位点，这对催化反应非常有利。因此，MQDs在电化学能源设备中通常表现出比许多传统量子点系统更好的性能。MQDs的另一个重要特性在于它们的合成和结构灵活性。与许多需要复杂合成路线或有毒重金属前体的半导体量子点不同，MQDs可以通过可扩展的自上而下或自下而上的方法从现有的MXenes中获得。MQDs的性质与其母体MXene的选择密切相关。例如，从Ti3C2、V2C或Mo2C开始直接定义了金属组成，并强烈影响了所得MQDs的行为。这种控制水平在大多数其他量子点系统中难以实现。此外，如-O和-OH这样的表面终止提供了进一步功能化的有用位点，使得在混合电极设计中与电解质和宿主材料进行靶向相互作用成为可能。此外，MQDs的发展为解决块状MXenes和传统电极材料的一些固有局限性提供了实际途径，为能源转换和存储应用开辟了新的可能性（图1）。在能源转换中，MQDs在HER、OER和整体水分解等反应中展示了令人鼓舞的电催化活性，这主要归功于它们高效的电荷传输和有利的吸附性质。在能源存储中，MQDs已被用于电池和超级电容器电极，以解决与离子扩散缓慢、循环稳定性有限以及能量或功率密度低相关的问题。
图1
时间线显示了MQDs在能源转换和存储方面的最新进展和未来展望。经参考文献6许可复制。近年来，许多综述文章提高了对MQDs及相关混合材料的理解。例如，Mohanty等人总结了重要的合成技术，并展示了MXene衍生量子点在能源转换和存储方面的潜力。Sariga等人提供了MQD合成、物理化学特性以及广泛应用的全面概述，如光电子学、传感、生物医学和能源相关系统。最近，Das等人专注于MXene改性的量子点复合材料在光催化能源生成和环境修复中的应用，强调了界面电荷转移和光驱动过程。总的来说，这些综述为MQDs的持续研究奠定了坚实的基础。尽管有这些宝贵的贡献，MQDs行为的几个基本方面仍然没有得到充分探索。最近对MQDs的兴趣激增；然而，它们的许多方面仍然了解不足。MQDs通常被视为2D MXenes的较小类似物，现有研究的很大一部分主要针对合成或特定应用，导致经常忽视了它们的独特性质。量子限制、高密度的边缘位点和多样的表面终止可以以块状MXenes中未见的方式影响MQDs的电子和催化行为。理论研究表明，这些属性可能会创造独特的活性位点，并允许有意调节电子能级，但在实际条件下的直接实验验证仍然很少。因此，MQDs在催化活动期间的确切活性位点、反应机制和稳定性尚未完全理解，这复杂化了MQDs在HER、OER/ORR、CO2还原、NRR和能源存储应用中的合理设计。
2. MQDs的合成进展和定制性质
2.1. 可扩展的合成方法
MQDs作为一种独特的0D纳米材料类别出现，其特征是量子限制效应和以边缘为主的表面化学。它们的合成通常遵循两条主要途径：自上而下的分解和自下而上的构建。这两种方法强烈影响了所得MQDs的大小、形状、缺陷密度和表面化学，进而影响了它们的性能、稳定性和实际应用的适用性。为了充分利用MQDs，有必要清楚地了解不同合成方法的优点和局限性。目前，自上而下的方法是使用最广泛的方法。在这种方法中，首先通过选择性酸性蚀刻“A”层将块状前体材料转化为2D MXenes，然后通过水热或溶胶热处理、超声处理或机械化学处理等技术进一步减小尺寸至量子点。这些方法相对直接，并依赖于容易获得的起始材料。然而，这些方法通常产率较低，批次间变化明显，且处理时间较长。相比之下，自下而上的方法直接从原子或分子前体构建MQDs，通过熔盐合成或热分解等技术，这些方法对粒子大小、形状和表面化学有更大的控制，并倾向于产生更均匀和结构更稳定的量子点。它们的更广泛采用仍然受到合适前体可用性的限制，以及生成具有强发光性的MQDs的难度。无论选择哪种途径，氧化仍然是一个重要问题，因为高表面积与体积比和众多的反应性边缘位点使得MQDs在环境条件下容易降解，这可能会改变它们的电子行为。已经采用了几种方法来缓解这个问题，包括使用无氧溶剂、低温处理、氢退火和用选定的配体进行表面钝化，以提高胶体稳定性和抗氧化性。因此，将自上而下方法的可扩展性与自下而上合成的精确性结合起来，对于将MQDs推向实际应用仍然是必要的。
2.2. 量子限制和边缘效应
当MQD的物理尺寸接近或低于激子玻尔半径时，量子限制开始支配其电子行为。这种尺寸减小增加了带隙并改变了材料的光学响应，通常表现为吸收和发射光谱的蓝移。通过简单地调节量子点的半径R，可以仅通过尺寸缩放来实现光电性质的精确、可控调节。当量子点进一步缩小到强限制条件时，离散能级之间的间距超过了热能（kT，其中k和T分别代表玻尔兹曼常数和温度），限制了载流子的迁移性，并导致类似原子的电子态。e−和h+波函数的更紧密重叠也提高了激子结合能，远高于块状半导体中的结合能。此外，MQD组成的变化引入了带隙的额外位移，允许对光学和电子跃迁进行材料特定的调节。在这样的强限制量子点中，掺杂剂的行为与在块状材料中不同。当由于量子限制导致的带隙能量增加超过杂质与载流子之间的库仑吸引力时，掺杂剂可以在不需要热激活的情况下自离子化。这种自发的激活，由无量纲限制参数控制，提供了另一种微调量子点电子和光学响应的方法。此外，MQDs中显著的边缘效应源于它们高的边缘与表面比率、众多的反应性位点和局域化的电子态。此外，DFT模拟表明，控制边缘化学和横向尺寸可以微调带隙、磁行为和反应性，这在传统量子点中是无法实现的。为了克服这些限制，掺杂已成为调节MQDs性质的重要策略。几种过渡金属，包括Cr、Mn、Fe、Co、Cu和Ag，以及其他元素如P、B、Na和Li，已成功掺入MQDs中，用于多种应用。量子点（QDs）的光学性质可以通过改变掺杂类型、浓度以及在量子点晶格中的空间位置来调节。例如，掺杂量子点薄膜的导电行为在很大程度上取决于量子点尺寸的均匀性和相邻量子点之间的间距，这两者共同决定了轨道重叠的程度。因此，适当的掺杂不仅改善了量子点的光学性质，还有助于控制它们的电子行为和在设备中的整体性能。
值得注意的是，二维MXene基量子点（MQDs）结合了其金属导电性和亲水性，并具有尺寸依赖的发光特性和能带结构调制能力。例如，用作M6M3RG1纤维超级电容器中间层间隔物的Ti3C2Tx量子点实现了542 F cm−3的体积电容和56%的电容保持率，这归功于它们明确的结构、丰富的边缘位点以及与纳米片的兼容性。此外，氮掺杂的Ti3C2量子点表现出强烈的电化学发光特性，并能够在免疫传感器中实现低至0.31 fg mL−1的粘蛋白1的高灵敏度检测。MQDs中的量子限制效应结合了二维金属MXenes的高导电性和可调的光发射特性，使它们成为传统半导体量子点的稳定、导电且生物相容的替代品。
2.3 表面化学与功能化
MQDs的表面化学特性源自其母体MXenes，并强烈影响它们的稳定性、电子性质以及在界面处的行为。在蚀刻过程中，会在MQDs表面引入-O、-OH和-F等基团。然而，控制这些基团在表面的分布并不简单。这个问题在多步骤氟基蚀刻过程中尤为明显，因为反应条件的微小变化可能会导致结构的显著变化，并留下定义不清的催化位点。如果MQD表面没有得到充分保护，还可能发生氧化和聚集，从而降低胶体稳定性并减弱光学性能。为了限制这些效应，通常会使用表面功能化来提高MQDs的稳定性和电子性质，并使其适应特定用途（图2）。例如，热退火或金属吸附等后处理可以调整表面终止态，将-O基团转化为-O基团，从而改变功函数和带边位置，并有助于氮还原或氢释放等反应。一般来说，具有富氧表面的MQDs在水介质中表现出更大的稳定性，而含氟的终止态则不太稳定，可能会随时间被去除，导致结构退化。表面钝化是另一种常见策略；使用油胺（OLA）和聚乙烯亚胺（PEI）等配体可以帮助抑制聚集并减少非辐射复合，从而提高胶体稳定性和光学性能。此外，异原子掺杂也被用来调整MQDs的局部电子环境。通过在带隙内引入额外的电子态并在活性位点重新分配电荷密度，掺杂可以改善光吸收并支持更有效的电荷转移。
MQDs的表面功能基团用于定向功能化。经参考文献50许可复制。版权所有2020 Nature Reviews Materials。除了表面修饰外，将MQDs与TiO2、g-C3N4和In2S3等半导体结合使用，还构建了具有改进光催化性能的先进异质结构。这些混合系统通过肖特基结或Z型路径促进电荷分离，减少了复合损失。例如，集成到Cu2O纳米线中的Ti3C2量子点显著提高了CO2到CH3OH的转化效率。此外，氨基功能化的MQDs表现出与缺陷相关的蓝光发射，并能够实现可控的电子提取，使其在光子和光电子应用中具有吸引力。
尽管已经取得了重要进展，但仍然难以精确控制表面功能基团的分布以及它们在MQDs上的数量。此外，很少有研究考察材料在运行过程中表面化学性质的变化。开发可扩展的、无氟的合成方法以及对长期环境稳定性的彻底评估是实现更广泛应用的关键步骤。最终，精确的表面功能化对于优化MQDs在能量转换、环境修复和生物医学中的应用性能至关重要。使用大规模密度泛函理论（DFT）筛选、先进的原位光谱学和可扩展的合成方法可以帮助设计下一代MQD催化剂和光子材料，以实现更好、更可靠的性能。
MQDs的稳定性是一个重要因素，决定了它们是否可以在实际设备中可靠使用。由于MQDs极其微小，具有许多暴露的边缘位点和高表面积，它们比较大的MXene片更容易与空气、湿气或电解质发生反应。多项研究表明，Ti3C2Tx MXene在环境或潮湿条件下（如在水或溶剂分散体中）会氧化，几周内就会失去导电性，表明碳化物结构退化并转化为氧化物相。这种趋势意味着当MXenes被还原为量子点尺寸时，它们在环境或工作条件下的稳定性变得更加关键。实际上，实际的MQD样品已经显示出了这一限制；一项专门的研究报告指出，Ti3C2衍生的MQDs在环境老化下稳定性较差，需要仔细的合成和储存条件来保持其功能性质。
已经探索了几种方法来提高MQDs的长期稳定性。一种有效的策略是仔细控制合成条件，例如使用非水性或低氧溶剂，这有助于限制氧化。另一种广泛使用的方法是将MQDs或MXenes嵌入保护性基质中，包括聚合物涂层、复合薄膜或混合结构。这些保护性环境可以通过屏蔽活性材料免受空气和湿气的影响来显著减缓降解。在一些报道的研究中，以这种方式稳定的MQDs即使在长时间储存或暴露于恶劣条件下也能保持其功能性质。这些结果表明，尽管稳定性仍然是一个主要挑战，但通过仔细控制合成、表面化学和材料设计可以改善稳定性。同时，大多数现有研究都集中在短期行为上。在MQDs能够被视为能量转换、催化或设备技术中的可靠材料之前，对长期循环或连续操作过程中的结构和化学变化进行详细研究是必要的。
2.4 杂原子掺杂
掺杂已成为调节MQDs性质的有效方法。这种方法涉及将氮（N）、硫（S）、磷（P）或氯（Cl）等杂原子引入MXene晶格或量子点表面，从而在不破坏金属碳化物骨架的情况下修改电子结构和表面行为。在不同的掺杂剂中，氮被研究得最为广泛。氮掺杂通常通过使用乙二胺（EDA）进行水热处理来实现，这会导致Ti–N、吡啶基–N和C–N物种的形成。这些与氮相关的位点已被证明可以提高电导率并增强光致发光量子产率（PLQY）。最近，共掺杂策略引起了关注，因为它们对光学和结构性质提供了额外的控制。例如，使用l-半胱氨酸进行N、S共掺杂和使用磷酸二铵进行N、P共掺杂已被报道可以改善发射效率，同时增强结构稳定性。这些组合通过利用电负性和电子给体掺杂剂的协同作用来构建所需的能带对齐并稳定激子。例如，N、P共掺杂的Ti3C2 MQDs展示了20.1%的PLQY和8.54 ns的荧光寿命，超过了单掺杂的对应物。
在所有掺杂技术中，N和S或N和P的共掺杂产生了最有希望的结果。S、N共掺杂的MQDs在水介质中利用氢键网络显示出全可见光谱范围内的全色发射，量子产率高达28.1%。这些网络促进了π电子的离域，固定了表面功能基团，并导致发射红移。另一项研究发现，将N掺杂的Ti3C2 MQDs集成到CdS纳米棒异质结构中，由于更好的能带对齐和更快的界面电荷转移，使光催化氢释放效率提高了14.8倍。同样，使用EDA合成的N掺杂Ti2C MQDs保持了Ti–C核心结构，并显示出显著改善的自由基中和能力，这是由于增强的表面反应性和更快的电子转移。
从电子角度来看，杂原子掺杂通过移动费米能级并在带隙内引入额外的态来改变MQDs的电子结构。这些变化通常改善了电荷传输，减少了非辐射复合，并增强了光稳定性，如图3所示。例如，在氮掺杂的MQDs中，在最低未占据分子轨道（LUMO）附近形成了陷阱态，这促进了电子传输并延长了载流子寿命。这种行为通常在实验中表现为PLQY的增加。同时，掺杂重新分配了表面电子密度并降低了表面反应的能量障碍，从而增加了催化活性位点的密度。掺杂过程中引入的表面物种，如N–H、C–N或P–O基团，也有助于这些效应。它们可以在保持高化学反应性的同时钝化表面缺陷。X射线光电子能谱（XPS）研究表明，这些与掺杂相关的功能性与MQDs的表面结合，而不破坏Ti3C2框架。因此，MQDs的整体结构保持完整，其稳定性在广泛的pH值和温度范围内得到改善。
图3
MQDs与N-MQDs的能级和载流子动态的示意图。氮掺杂在LUMO附近形成了陷阱态，促进了快速的电子传输并延长了载流子寿命。经参考文献31许可复制。版权所有2022 Chinese Journal of Catalysis。由于这种电子和结构效应的结合，杂原子掺杂的MQDs作为活性功能材料而不是被动量子点发挥作用。它们可调的光致发光（PL）、改善的电荷传输和增强的催化行为使它们在催化、传感和能量转换应用中具有吸引力。预计在控制掺杂方法和先进表征技术方面的进一步进展将为MQDs在光电子和能源相关系统中揭示新的机会。
3. MQDs的先进表征
MQDs的表征依赖于微观、光谱学、电化学、磁性和计算技术的结合，以确认它们的0D性质并理解它们的性质如何与块状二维MXenes不同。在这些方法中，高分辨率显微镜对于验证量子点的形成至关重要。透射电子显微镜（TEM）和高分辨率TEM（HRTEM）一致地显示横向尺寸小于10 nm，并且清晰的晶格条纹证实了结晶性和母体MXene结构的保持。例如，大约0.266 nm的晶格间距，对应于Ti3C2的（0110）平面，表明在尺寸减小后保持了基本的六角对称性。这些技术还暴露了结构缺陷，包括Ti空位、边缘不规则性和晶界，这些在MQDs中更为丰富，通常作为催化活性位点。高角度环形暗场扫描透射电子显微镜（HAADF-STEM）提供了对原子尺度缺陷结构的额外洞察，能够直接可视化使用传统TEM难以分辨的空位簇和富含边缘的区域。原子力显微镜（AFM）通过提供可靠的高度信息来补充电子显微镜，确认大多数MQDs由单层或少数原子层组成，而不是厚堆叠的域。这些微观技术共同确立了层状MXenes成功转化为具有高缺陷密度的孤立超薄量子点的过程。光谱分析在探测表面化学和量子限制效应方面起着关键作用。XPS和傅里叶变换红外光谱（FTIR）揭示了合成依赖的表面终止态，如-O、-OH和-F基团，这些基团强烈影响亲水性、电子结构、化学稳定性和界面反应性。在某些情况下，故意引入胺功能基团以增强在水中的分散性和生物相容性，用于生物医学应用。使用UV-Vis吸收和PL光谱的光学表征提供了尺寸依赖的带隙调制的直接证据，蓝移的吸收边缘和发射峰源于量子限制效应。这些光学特征清楚地区分了MQDs与其块状MXenes对应物。除了光学性质外，还使用电子自旋共振（ESR）光谱进一步研究了与缺陷相关的电子态，该光谱直接探测与表面缺陷、边缘态和空位诱导的自旋中心相关的未配对电子。由于MQDs的高表面积与体积比和受限的尺寸，它们表现出比块状MXenes更强的顺磁响应。因此，ESR能够定量评估缺陷密度和局部电子环境，这些都与电荷局域化、自旋依赖过程以及催化活性密切相关。71–73
先进的光谱工具，如X射线吸收光谱（XAS）和电子能量损失光谱（EELS），对于量子点（MQDs）特别有效，因为它们的电子结构主要由表面原子和缺陷决定。在量子点尺度上，即使是氧化状态的微妙变化和局部配位也会变得更加明显。因此，原位和操作技术，包括拉曼光谱和基于同步辐射的XAS，越来越多地被用来监测在真实电化学条件下的表面重构、缺陷演变和相稳定性。这些动态的表面和边缘过程强烈影响着电荷转移动力学、氧化还原行为和长期稳定性。74,75
电化学测量提供了材料结构和电子性质与其功能性能之间的直接关联。循环伏安法（CV）和电化学阻抗谱（EIS）通常显示，与块状MXenes相比，MQDs具有增强的氧化还原活性和降低的电荷转移阻力，这主要是由于可访问的活性位点数量增加以及离子扩散路径缩短。76 Mott–Schottky分析，通常与紫外光电子光谱结合使用，进一步提供了对载流子密度、能带对齐和催化及储能系统中界面结形成的洞察。77 为了在原子水平上解释这些实验观察结果，操作研究经常与密度泛函理论（DFT）计算相结合。这样的模拟合理化了吸附能量学、优选的结合位点以及结构-性质关系，例如，氮物种对O-终止表面的亲和力比对F-终止表面的亲和力更强。78 尽管取得了实质性进展，但仍存在一些挑战，包括电子显微镜使用过程中由光束引起的损伤和氧化，以及高表面能导致的聚集现象，以及分离内在单点行为的难度。这些限制激发了对低温电子显微镜作为潜在解决方案的日益兴趣。79 重要的是，在真实操作条件下实现实时、原子尺度的表面终止、电子结构演变和失活路径的观察仍然存在重大差距。因此，通过先进的操作表征来解决这一差距对于开发可靠的结构-性质模型和指导下一代基于MQD的材料的合理设计至关重要。
4. 量子点在能源科学中的综述
量子点作为二维MXenes的零维形式，创造了一类具有适用于广泛能源转换和存储应用特性的新材料。MXenes以其金属导电性、亲水性和反应性表面而闻名，但将它们转化为量子点会产生量子限制、离散的电子能级以及更大的表面积与体积比，这些共同改变了它们的物理和化学行为，这是块状材料中所没有的。80 量子点保留了其母体MXenes的高电导率，并且由于它们的小尺寸，容易分散在溶液中，并暴露出更多可访问的活性位点，这些特性对于电催化和电化学储能设备非常重要（图4）。81 它们还表现出与尺寸和表面相关的光致发光（PL）和增强的光-物质相互作用，这些特性扩展了它们的应用范围，包括光催化、光电子学和生物成像领域，而在这些领域中，二维MXenes的光学响应是有限的。82 表面终止如-OH、-O、-F和-Cl提供了可控的化学界面，可以调整以与聚合物、金属有机框架（MOFs）和其他纳米级宿主结合。83 最近将实验测量与计算研究相结合的工作有助于定义量子点的电子结构、表面化学和反应行为，阐明了它们与其二维前体的不同之处。尽管该领域仍处于发展的早期阶段，但量子点越来越被认为一类离散的量子材料。它们不再仅仅被视为MXenes的纳米级衍生物，而是被视为具有先进能源转换和储能技术重要潜力的功能性实体。图4
示意图展示了量子点在能源转换和存储应用中的角色。
4.1. 基于量子点的电催化剂
尽管已经研究了量子点作为电催化剂和光催化剂的应用，但仍然存在关键的知识空白，需要系统地进行调查。电催化研究仍然严重依赖于贵金属电极，尽管这些电极的成本高昂且在地球大陆地壳中的丰度低于造岩元素和稀土元素。相比之下，由Ti、C、Mo或V组成的量子点提供了一种可持续的、地球上丰富的替代品，因为这些元素的含量比Ru、Ir、Pt或Au高出数千到数十亿倍。它们的元素可用性，加上可调的电子结构、表面化学的多功能性以及固有的高电导率，使得量子点成为可扩展的能源和环境技术的有吸引力的候选者。鉴于研究仍然有限，本综述概述了推进量子点研究的优先方向。
4.1.1. 氢演化反应（HER）
量子点作为一种新材料类别，因其独特的性质和相对较低的毒性而受到越来越多的关注，使其适用于各种应用。尽管MXenes已经被广泛研究，但量子点的特定特性，如量子限制、高表面积与体积比以及改善的电子行为，为电催化反应提供了新的机会。其中，氢演化反应（HER）是一个核心焦点，在酸性（2H++ 2e−→ H2）或碱性（2H2O + 2e−→ H2+ 2OH−）条件下，在水分解装置的阴极上进行（图5a）。它们超小的尺寸减少了离子扩散距离，促进了电解质对催化活性位点的接触，从而提高了反应动力学。用地球上丰富的、低成本的替代品替换贵金属催化剂对于可持续的氢生产至关重要，而在标准电解质如1 M KOH或0.5 M H2SO4的三电极配置中测试时，量子点提供了一个可行的平台。84–86 理论分析通常使用氢吸附自由能（ΔGH）来评估HER活性，根据Sabatier原理，理想情况下该值应接近零以平衡吸附和脱附能量；然而，这一指导原则并不是绝对的，因为界面结构和电解质环境也会影响催化行为。计算得出的（ΔGH）值通常与实验过电位在−10 mA cm−2下进行对比，多项研究报道了预测和测量之间的一致性。
图5
示意图展示了基于MXene的电催化剂及其支撑物在关键反应中的作用，包括（a）HER、（b）OER、（c）ORR和（d）NRR。经美国化学学会许可复制。版权2020。除了它们的小尺寸外，量子点还表现出特殊的电子性质，提高了它们的催化性能。控制量子点反应性的一个重要因素是它们的费米能级（EF）的位置，它比二维MXene片层的费米能级更负。DFT计算显示，O-终止的Ti3C2量子点的EF为−0.523 V（相对于pH 7时的NHE），而Ti3C2纳米片层的EF为更正的0.71 V。更低的（更负的）EF使量子点更容易储存电子，这有利于如H+转化为H2这样的还原步骤。在光或电激发后，电子也倾向于留在量子点上，因为它们结合了高电导率和合适的费米能级对齐，支持电子驱动的催化反应。相比之下，Ti3C2片层更正的EF限制了它们在这些还原过程中的效率。
表面化学也对量子点的HER活性有很强的影响。典型的表面终止，包括-F、-OH和-O，影响反应物和中间体在表面的吸附。DFT分析表明，暴露的Ti边缘原子和适量的-F基团可以提高HER活性，而过量的-F终止，尤其是在HF蚀刻过程中引入的，可能会阻塞活性位点并降低整体性能。量子点还包含许多结构缺陷，如边缘位点和晶界，这些可以通过改变Ti和C原子周围的局部电子环境并增强反应中间体的吸附来增强电催化作用，从而加速反应动力学。尽管块状MXenes中的Ti边缘位点通常在催化上是不活跃的，但量子点内的缺陷形成可以激活这些位置。此外，构建基于量子点的异质结构可以通过促进电荷转移和增加稳定性来进一步提高催化性能。例如，与Cu2O/Cu泡沫结合的量子点显示出改进的HER活性，因为它们有更好的分散性和更有效的电荷传输。总体而言，这些研究表明，边缘效应、表面官能团和异质结构设计对于优化基于量子点的电催化剂至关重要。量子点的电催化行为主要取决于反应物和产物如何在活性表面位点上吸附和脱附。因此，控制表面化学、缺陷密度和复合设计仍然是推进基于量子点的电催化的有效策略。然而，仍需要进一步的研究来更好地理解反应机制，并优化它们的结构以适应能源相关应用。
4.1.2. 氧演化/还原反应（OER/ORR）
量子点也作为电催化剂引起了关注，尤其是在HER之外的反应中，特别是OER和ORR，这些反应是几种可持续能源技术的基础。OER是水分解和CO2电解中的阳极半反应（U° = 1.23 V vs. RHE），84 传统上由Pt、Ir或Ru基催化剂驱动（图5b），但它们的性能受到高成本、稀缺性和操作耐久性有限的限制。尽管已经研究了过渡金属和无金属的替代品，但许多替代品的导电性不足或活性不够。为了克服这些限制，Han等人开发了一种基于NiFe-LDH/MQD的催化剂，该催化剂支撑在氮掺杂的石墨烯（NG）上，表现出双功能性能，在10 mA cm−2的电流下OER过电位为1.50 V，Tafel斜率为57 mV dec−1，ORR半波电位为0.69 V RHE，超过了Pt/C和IrO2 + Pt/C的基准。DFT分析将这种行为归因于量子点诱导的局部费米能级的调制和EF附近态密度的增加，这些共同加速了电荷转移动力学。
尽管取得了这些进展，但纯量子点在OER和ORR中的内在催化行为仍然很大程度上未被探索，因为大多数研究使用的是复合材料，其中量子点的具体贡献难以分离。仍需要更清晰地了解活性位点的化学性质、电子转移路径以及多电子机制中的中间体吸附/脱附。表面终止如-OH和-O被认为可以促进4e−到水的ORR路径，而过量的-F或欠配的边缘位点可能会使反应性偏向于产生H2O2的效率较低的2e−路径（图5c）。引入缺陷或异原子掺杂剂可以进一步控制结合能，例如，稳定*OOH并破坏*H2O2以提高选择性。因此，开发低成本和地球上丰富的量子点电催化剂将需要更好地控制它们的合成，以及能够清晰识别表面状态、活性位点和在真实操作条件下的长期稳定性的原位和操作技术。这样的理解对于它们在下一代能源平台中的使用至关重要。
4.1.3. 氮还原反应（NRR）
氮还原反应（NRR）将氮气转化为氨（N2 + 6H+ + 6e– → 2NH3，U° = 0.057 V vs. RHE），提供了一种可行的电化学途径来补充哈伯-博施过程（图5d）。尽管哈伯-博施过程支撑了全球氨的生产，但它需要在高温高压下进行，并消耗世界总能量的近2%。相比之下，电化学NRR可以在常温常压下进行，但受到高过电位、由于HER的竞争而选择性低以及NH3产量低的限制。MXenes最近在理论和实验中被认为是有前景的NRR电催化剂，其催化相关位点集中在暴露的表面原子和边缘区域，随着颗粒尺寸的减小而变得越来越可访问。因此，量子点作为零维衍生物具有吸引力，因为它们提供了可调的终止和高密度的边缘活性位点。90
Jin等人展示了富含Ti边缘终止和-OH基团的Ti3C2Tx量子点表现出显著的NRR活性，在0.1 M HCl中，在-0.50 V下实现了62.94 µg h−1 mg−1的NH3产量和13.3%的法拉第效率，并且操作稳定性达到了25小时。NMR分析确认了NH3的独家形成。Ti3C2OH量子点的性能优于氟化的量子点（Ti3C2F）、碱处理的MXene和Ti3C2Tx MXene，强调了边缘位点密度和表面化学的重要性。54
DFT计算证实了这些结果，表明-OH官能化和Ti边缘位点促进了比-F终止更强的N2吸附和活化。在那项研究中，通过将Ti3C2Tx MXene在NaOH或NaF溶液中超声处理引入了选择性的表面终止，分别增加了-OH或-F基团的比例。这种类型的受控表面修饰，结合量子限制产生的电子变化，展示了如何系统地调整量子点以改善NRR活性并支持更高效的氨合成。
4.2. 基于量子点的光催化剂
现代社会的迅速扩张增加了总体能源消耗并加剧了环境污染，使得开发可持续的、低影响的能源技术成为优先事项。太阳能是一种清洁、丰富且可再生的资源，基于自然光合作用的光催化模型利用阳光驱动化学反应，为能量转换和环境修复提供了一条绿色途径。光催化过程的效率在很大程度上受到光生电子（e−）和空穴（h+）复合速率的控制。复合速率越快，可用的载流子就越少，催化效率也就越低。复合行为受到电子和空穴在表面态中被捕获的方式以及电荷在催化剂表面移动的难易程度的影响。在量子点（MQDs）中，当粒子尺寸变得非常小并且被低介电常数的介质包围时，会出现一种称为介电限制的额外效应，这会改变电子和空穴的相互作用以及整体的电荷动态。介电性质的较大差异会减弱电子和空穴之间的吸引力，从而减少它们的复合。因此，分离它们所需的能量减少，且由于这种介电效应，光学带隙也会变小，而不仅仅是由于粒子大小。这种减小的带隙改善了电荷的分离和传输。因此，MQDs在光催化应用中显示出巨大的潜力，如二氧化碳（CO2）的还原、氢气的生成和污染物的去除。
4.2.1 光催化二氧化碳（CO2）的转化
在紫外光或可见光照射下，光催化二氧化碳转化为HCOOH、CO、HCHO、CH3OH和CH4等产品引起了广泛关注，因为它提供了一种可持续的方法来减少温室气体排放。在这个反应中，光子提供了支持氧化还原步骤所需的能量，将二氧化碳转化为太阳能燃料，整体速率强烈依赖于光强度，因为光照控制着电子和空穴的生成和分离。精确控制激发条件也是必要的，以便在二氧化碳还原过程中影响产物的分布。研究表明，MXenes具有作为高效共催化剂或结构支撑体的特性，可以增强现有光催化剂的活性，而量子点通过高表面积和量子限制效应提供了额外的优势。在这一类材料中，MQDs因其光学响应可调、表面原子高度反应性以及大量的可访问催化位点而变得有吸引力，这使它们在光催化二氧化碳转化中具有明显优势。图6概述了基于MQD的复合材料上二氧化碳还原的一般机制。例如，Zeng等人通过一种简单的自组装方法合成了Ti3C2 MQD/Cu2O纳米线（NW）复合材料。MQDs的存在提高了Cu2O纳米线的机械强度，并通过加速电子传输、增加光吸收和载流子密度以及减少带弯曲和复合损失来提高光催化效率。扫描电子显微镜（SEM）图像验证了多孔Cu2O纳米线结构（直径约500纳米）在MQD沉积后仍然完整，尽管孔隙被量子点完全覆盖。通过将带负电的聚（4-苯乙烯磺酸盐）（PSS）附着在Cu2O纳米线上，并将带正电的PEI接枝到Ti3C2量子点上，有助于静电组装而不破坏纳米线结构，尽管会损失一些可访问的孔体积。所得到的Ti3C2 QDs/Cu2O NWs/Cu催化剂从二氧化碳中产生了153.38 ppm cm−2的CH3OH产量，相对于Cu2O NWs/Cu和Ti3C2 sheets/Cu2O NWs/Cu分别提高了8.25倍和2.15倍，且该催化剂在六次循环后仍保持了89%的活性。高分辨率成像和理论计算进一步表明，Ti3C2 MQDs在费米能级附近含有高密度的电子态，这促进了电导率和快速的电子转移。这种能量对齐解释了为什么MQDs有助于界面电荷的运动。电化学阻抗谱（EIS）证实了MQD改性系统中的最低电荷转移电阻，这反映在最小的奈奎斯特半圆上，表明其电荷迁移率高于每个单独的组分。
最近的工作通过将MQDs与金属氧化物或碳氮化物结合形成异质结，扩展了这些系统，这些异质结支持更强的二氧化碳吸附，并通过MQDs引入的电子捐赠途径促进其转化为CO或CH4。尽管取得了进展，但关键挑战仍然限制了实际应用。报道的二氧化碳转化率和产物分布在不同研究中差异很大，表明需要标准化的测试协议。需要更深入地理解粒子形态和电子结构如何影响催化行为。此外，在工业应用之前，必须优化合成路线以实现成本效益高、可扩展且环境安全的生产。因此，一致的性能、可靠的机制理解以及适合大规模实施的制造策略将是实现实际应用所必需的。
表面化学在决定基于MQD的光催化剂如何与二氧化碳相互作用中起着核心作用，因为表面基团的性质和密度调节吸附、稳定反应中间体并指导反应路径。调整-O、-OH或-F末端、引入缺陷位点或掺杂原子可以改变二氧化碳的结合强度并改变优选的还原产物。富氧表面会产生与线性二氧化碳分子强烈相互作用的极性区域，从而提高活化效果。氮或硫掺杂剂增加电子捐赠，有助于稳定CO2˙−中间体，并提高对CO或CH4的选择性。这些修改还会改变带位置，促进电子向半导体基体的转移，抑制电荷复合，并提高光催化效率。多项研究表明，MQD改性的材料吸收更多光线，更有效地分离电荷，并在界面之间快速移动电子，从而实现更高的二氧化碳还原速率。这些结果共同表明，表面化学不仅仅是MQDs的被动结构特征，而是控制二氧化碳转化中反应性和产物分布的决定性因素。
4.2.2 氮固定
在温和和可持续的条件下，催化氮（N2）转化为氨（NH3）已成为一个重要目标，因为它提供了一种替代能源密集型工业实践的方法。目前，大规模的NH3合成主要由哈伯-博施（Haber–Bosch）工艺主导，该工艺使用多促进的熔融铁催化剂，在400–500°C和100–300巴的压力下进行。这些极端条件是必需的，因为N2在化学上是惰性的，NN键的解离在动力学上很困难，是HB催化中的限速步骤。因此，光催化氮固定作为一种在常温和常压下形成NH3的更清洁、更节能的途径而受到关注。
在这种背景下，基于MQD的光催化剂已成为有前景的候选者。最近通过简单的静电自组装程序制备了一种Ti3C2 MQD修饰的Ni基MOF，形成了II型异质结。这种混合物的NH3产量几乎是原始Ni MOF的四倍。类石墨烯的Ti3C2量子点提高了电荷迁移率，并弥补了MOF本身较低的电导率。它们的小尺寸和高表面积增加了暴露的活性位点数量，增强了N2的吸附，这是光催化N2还原的关键步骤。Ti3C2量子点还拓宽了光学吸收范围，提高了光捕获能力，进一步提高了光催化效率。这些效应表明MQDs与MOF基质之间存在协同作用，促进了光生载流子的分离和传输。尽管取得了这些进展，但关于基于MQD的光催化剂用于氮固定的研究仍然有限。
未来的工作应集中在阐明关键机制步骤上，特别是电荷流动的方向和异质结界面处电子带的排列，使用先进的表征方法，如飞秒瞬态吸收光谱和开尔文探针力显微镜。还需要详细研究表面末端和缺陷位点在N2活化过程中对MQDs的影响，因为这些特征可能有助于控制催化选择性和活性。此外，还必须解决可扩展合成和在反应条件下的操作耐久性问题，以推进这些材料向实际应用的进展。
4.3 量子点在电化学储能中的应用
量子点（MQDs）在电化学储能系统中也显示出明显的好处，特别是在超级电容器中，其中快速的充放电依赖于快速的电子和离子移动。它们非常小的粒子尺寸和大表面积允许与电解质有效接触，其高电子导电性支持快速的电荷传输。当MQDs被纳入基于MXene的电极中时，它们减少了纳米片重新堆叠的倾向，暴露了更大的活性表面原子比例，并生成了促进离子扩散的开放通道。此外，MQDs在2D–0D混合电极中表现良好，它们实现了涉及电双层电容和快速法拉第反应的混合电荷存储行为。根据最近的研究，MQD改性的电极显示出改进的速率能力和长期循环稳定性，因为量子点增加了离子的可访问性并减少了扩散阻力。除了超级电容器之外，MQDs还被应用于锂硫电池和钠离子电池中，以抑制不需要的副反应并提高界面稳定性。例如，固定在碳载体上的MQDs可以有效捕获多硫化物，有助于保持稳定的电极表面并提高循环性能。
4.3.1 量子点在超级电容器中的应用
量子点已成为下一代电化学储能系统的关键平台，因为将MXenes减小到量子点尺寸增加了边缘原子的比例，缩短了离子扩散路径，并增强了表面反应性，这些共同导致了更高的电荷存储和更好的保持能力。这些结构特性非常适合超级电容器的操作，主要通过两种电荷存储机制实现：电双层电容器（EDLCs）和伪电容器。在EDLCs中，电荷通过电解质离子在电极表面的物理吸附来存储，从而实现了出色的循环稳定性，但能量密度有限。相比之下，伪电容器通过快速且可逆的氧化还原反应来存储电荷，提供了更高的电容，但可能会降低长期稳定性。因此，设计能够有效结合这两种电荷存储机制的电极材料仍然是一个重要挑战。
在MQDs中，非常小的粒子尺寸允许离子更快地移动，并加速了表面氧化还原反应。同时，如-OH、-F和-O这样的表面基团使材料更具亲水性，这有助于其与水性电解质的更好相互作用。这些表面基团在电荷存储中起重要作用，同时也为电化学反应提供了活性位点。随着工业活动和电子设备使用的增加，对高效和可持续储能系统的需求也在增加。尽管这些进步改善了日常生活，但它们也加剧了与化石燃料枯竭、气候变化和电子废物相关的环境压力。解决这一问题需要结合低环境影响和强电化学性能的材料。超级电容器因其快速的充放电过程、高功率密度和长循环寿命而受到关注。基于碳的多孔材料通常被用作EDLCs的电极，而过渡金属氧化物和硫化物一直是伪电容器的主要候选材料。然而，这些材料的许多都显示出低电子导电性或慢的离子传输，这限制了可实现的能量密度。MQDs通过增加电容率和速率性能，同时减少了传统多孔碳和氧化物基电极中看到的传输和导电性问题，解决了其中的几个限制。
4.3.2 量子点在电池中的应用
量子点也作为可充电电池的电极材料引起了关注，因为它们允许快速的离子传输，形成稳定的界面，并提供高电荷存储容量。在广泛使用的锂离子电池（LIBs）中，性能仍然受到石墨阳极的限制，其理论容量仅为372 mA h g−1，这需要具有更高容量的替代阳极材料。在锂硫电池中，MQDs有助于减少多硫化物穿梭效应，控制氧化还原反应，并稳定电极-电解质界面，从而提高了容量保持能力和循环寿命。此外，在混合或复合电极中使用MQDs提高了机械稳定性和整体电化学性能。除了Li–S电池外，MQDs还在其他可充电电池系统中展示了潜力。在钠离子电池（SIBs）中，Zhang等人通过红磷辅助的球磨法制备了Ti3C2Tx纳米点，并证明了它们作为阳极材料的有效性，在100 mA g−1的电流下实现了600 mA h g−1的钠化容量，并且在150次循环中保持了稳定的循环性能。最近，MQDs还被应用于锌空气电池（ZABs）中。例如，Han等人报道了一种由Ti3C2 MQDs、NiFe-LDH和NG组成的混合电极，实现了113.8 mW cm−2的功率密度，与商用Pt/C催化剂相当。这些结果表明，MQDs可以支持超越基于锂的系统的电池化学。MQDs还有助于协调快速充放电操作与高能量存储，因为它们的纳米级尺寸促进了快速的离子和电子移动，以及它们可调节的表面末端和缺陷位点影响了氧化还原活性和长期稳定性。这些特性共同使得量子点（MQDs）成为高性能可充电电池的有希望的材料。1,101
4.3.3. 量子点在先进储能技术中的应用
除了传统的超级电容器和电池之外，量子点也在新的储能技术中得到研究。它们可调节的表面化学性质和高电导率使它们能够在混合电极结构中形成稳定的界面和高效的电子传输路径。在锌离子和铝离子电池中，已经证明量子点可以改善电荷传输行为，并在长时间循环过程中保持电极的完整性。它们还被研究用于固态和柔性储能设备，在这些设备中，量子点通过在电极或电解质内部创建相互连接的导电网络来提高离子迁移率和机械强度。这些早期发现表明，量子点可以为广泛的先进储能系统做出贡献，因为它们快速的离子和电子响应以及可适应的表面特性为设计耐用、高性能和灵活的储能设备提供了实用的方法。102
5. 朝着工业相关的基于量子点的能源系统迈进
最近的研究表明，基于量子点的材料已经开始达到在氢生产、光催化和电化学储能中具有实际应用价值的性能水平。这些进步源于催化行为的改善、在工作条件下的更好稳定性，以及对可以扩展到小规模实验室实验之外的合成方法的日益关注。在氢演化反应（HER）中，量子点通过结合良好的电导率和大量的可访问活性位点以及在纳米尺度上的高效电荷传输来帮助降低所需的过电位。例如，非常小的Ti3C2Tx量子点，尺寸约为1-6纳米，提供了极性表面位点和有利的电子状态，使得ΔGH接近于零，符合Sabatier原理。103 然而，实现实际的氢生产还需要满足严格的性能和耐久性标准。这些标准包括在10 mA cm−2的电流下过电位低于100 mV，在质子交换膜水电解器（PEMWE）中保持500-1000 mA cm−2的电流密度，104 将铂族金属的负载量降低到0.5 mg cm−2以下，并确保接近80,000小时的长时间运行寿命。105 含有量子点的催化剂开始接近这些标准。例如，Mo2TiC2–PtNC催化剂在10 mA cm−2的电流下使用超低铂负载量36 µg cm−2时，过电位为13 ± 3.6 mV，并且在200 mA cm−2的电流下保持稳定运行8700小时。106 同样，基于Ru–CoP/MXene的催化剂在阴离子交换膜水电解器（AEMWE）系统中，在1.75和1.88 V的电池电压下达到了1.0和2.0 A cm−2的工业相关电流密度。107
除了氢演化之外，基于量子点的光催化剂在二氧化碳还原方面也显示出良好的进展。一些系统报告二氧化碳转化率约为40-50%，法拉第效率超过90%。32 基于量子点的金属氧化物复合材料产生的酒精产量远高于单独的金属氧化物，表明量子点有助于改善电荷分离和表面反应。此外，几种基于量子点的材料的CO和CH4产量是标准TiO2/g-C3N4光催化剂的1.3到2倍。尽管取得了这些进展，但与氧化稳定性和不完全的机制理解相关的挑战仍然限制了其大规模独立应用。108 在光催化水分解中，基于量子点的材料的性能接近于贵金属催化剂，即使它们使用的是低成本组件。例如，已经报道了MQDs ZnIn2S4/Ti复合材料的氢演化速率高达7.52 mmol g−1 h−1，而Ti3C2 QD改性的系统与裸露的TiO2相比提高了98倍。一些基于量子点的系统还实现了稳定的整体水分解，氢气和氧气可以连续产生很长时间。在某些情况下，在1.23 V相对于RHE的电压下，水氧化电流可以维持数小时，表明了良好的操作稳定性。31 除了催化应用外，量子点还被探索用于电化学储能。量子点改性的电极显示出高电容和良好的能量密度，面积电容超过2000 mF cm−2，能量密度接近90 µW h cm−2。纤维形状和不对称的基于量子点的超级电容器进一步表现出高体积电容、良好的机械稳定性和超过10,000次充放电循环的稳定性能。这些结果表明，量子点可以支持在宽温度范围内运行的灵活和可穿戴的储能设备。109
在这些应用中提高性能在很大程度上取决于材料的设计和修改方式。例如，通过无氟或热合成路线控制富含-O和-OH的表面终止已被证明可以有用地影响表面反应性。在某些系统中，添加孤立的金属原子可以调节氢结合强度，而加入铌等元素可以增强电导率。结构缺陷和空位也可能有用，因为它们可以生成和稳定活性位点，而不仅仅是作为晶格缺陷。除了这些单独的策略外，将量子点与其他材料（如层状MoS2）结合已被证明可以增加抗氧化性并增强界面相互作用。110,111 这些发现共同表明，基于量子点的材料正在超越实验室研究，开始展示出在可扩展的能量转换和存储应用中的实际潜力。
6. 挑战和未来前景
尽管对量子点的兴趣迅速增长，但仍有几个问题限制了它们在实际系统中的可靠使用。一个主要挑战是在量子点尺度上实现对表面化学的精确控制。大多数量子点是通过使用含氟试剂的多步骤蚀刻路线生产的，这会产生混合的表面终止和不均匀的缺陷分布。因此，在相似条件下合成的量子点在稳定性和催化性能上往往表现出显著的变化，使得再现性变得困难。这种情况突显了需要无氟且可扩展的合成方法，以更好地控制粒子大小、表面官能团和缺陷密度。5,69
在实际操作环境下的稳定性是另一个核心问题。由于量子点极其微小并且包含许多暴露的边缘位点，它们比2D MXene对应物更具化学反应性。这种高反应性增加了它们在暴露于空气、湿气或电解质溶液时对氧化、聚集和表面重构的敏感性。尽管已经证明表面钝化、配体保护、复合形成和受控氧化等策略可以减缓降解，但大多数研究仅考察了相对较短时间内的稳定性。量子点在连续操作过程中的长期行为仍然不甚清楚，在这些材料能够自信地应用于实际设备之前，需要进行系统的耐久性研究。除了稳定性问题外，量子点的反应机制也尚未得到充分阐明。理论研究表明，量子限制、表面终止和缺陷状态可以创建不同的活性位点和可调节的电子结构。然而，这些预测的直接实验确认仍然有限。在许多情况下，活性位点的身份和在催化或储能过程中的电荷传输路径是推断出来的，而不是直接观察到的。更广泛地使用原位和操作过程中的表征技术，结合理论建模，对于建立特定于量子点的明确的结构-性能关系至关重要，而不是从块状或2D MXenes外推。除了材料设计和基本机制研究之外，量子点在实际技术中的使用还取决于如何测量它们的性能。目前，关于基于量子点的催化剂和储能设备的结果在不同研究之间差异很大。这主要是因为使用了不同的测试条件和评估方法。采用共同的测试程序和明确的基准将使结果比较更加容易，并识别出真正的改进。同时，如果量子点要用于大面积设备或长时间运行，还需要可扩展和环保的合成方法。总体而言，量子点作为量子限制材料展示了相当大的潜力，但实际应用将需要更精确的合成控制、改进的长期稳定性以及对结构特征如何影响性能的更清晰理解。此外，这些领域的进展将有助于将量子点从实验室研究推向能量转换、存储及相关领域的实际应用。
利益冲突
作者声明本文没有利益冲突。
数据可用性
本迷你综述没有包含任何原始研究成果、软件或代码，也没有生成或分析任何新数据。
致谢
作者感谢CSIR-NEIST的主任Jorhat允许发表这项研究。R. A. 感谢UGC提供的初级研究奖学金，R. B. 感谢GPP 0439提供的项目助理奖学金，L. S. 感谢内部项目OLP-2504A的支持。
打赏
