二維納米催化劑的研究進展與展望

張偉，王超，康永

(江蘇理文化工有限公司，江蘇 常熟 215500)

如今，我們都使用各種各樣的藥物和個人護理產品，這些產品進入生態系統后會導致不可逆轉的損害[1]?？股丶捌浯x物在非耐藥微生物、浮游植物、魚類和其他水生生物方面具有潛在的毒理風險，可能破壞水生食物鏈[2]。它們很難通過傳統的生物處理過程完全降解，并且隨著在水生態系統中積累，它們的毒性可能進一步增強[3]。因此，有必要探索能夠在水環境中破壞有機化合物的先進技術。據報道，現代催化技術的發展有效解決了上述難題[4～9]。

為了提高光催化和電催化性能，人們越來越關注開發具有良好電導性和大表面積的二維納米材料。與傳統的三維塊狀納米材料相比，這些原子薄的二維納米材料因其特殊的穩定性和活性而在環境和能源相關的研究領域引起了關注，通常是由于其高比表面積、堅固的機械結構和優異的電導性。此外，二維納米材料也被視為更昂貴的貴金屬（如鉑和銠）的經濟替代品[10]。最近在多種原子薄的二維納米材料方面取得了突破性進展；二維納米材料的合成、性質、表面化學和催化應用也有了快速發展[11]。迄今為止，對于高效二維納米材料基催化劑的合理設計、構建以及與工業規模應用相關的問題的詳細理解仍然不夠全面[12]。因此，仍然需要全面的綜述來提供有關最新發展的制備和應用的新見解，并需要進行基礎研究，以明確反應過程，以提高成熟的工業應用中的催化性能[13～15]。

1 二維納米催化劑

1.1 分類

原子薄層二維石墨烯納米材料的發展推動了相關超薄二維納米材料的進展[16]。一般來說，大多數二維納米材料可以被粗略地歸類為層狀材料，其中層間的范德華相互作用使得層疊成為可能，而層內的原子層通常具有強的化學鍵[17]。催化領域中典型的二維層狀納米材料包括石墨烯、石墨狀碳氮化物、一系列單元素化合物、過渡金屬二硫化物（TMDs）、共軛有機框架（COFs）、金屬碳化物和氮化物（MXenes）、層狀雙金屬氫氧化物（LDHs）、基于鉍的層狀化合物、六角硼氮化物（h-BN）、金屬有機框架（MOFs）和二維金屬納米材料等。

石墨的結構是通過單晶X射線衍射確定的，其中石墨烯通常被認為是一個原子薄層的單層石墨晶體[18]。原子薄層的石墨烯納米材料是具有超越傳統半導體的催化應用性能的有希望的材料。然而，石墨烯納米材料是一種零帶隙半金屬[19]，因此通常被認為是一個輔助催化劑或有效的催化劑支撐材料，而不是直接的催化劑[20]。

最著名的結構類似于石墨烯的二維納米材料之一是石墨烯氮化碳(g-C3N4)[21]。通常情況下，g-C3N4納米材料由于在強酸或強堿環境下的化學惰性而能夠在眾多氧化還原反應中充當潛在的催化劑[22]。然而，高電荷載流子復合率、低比表面積和質量傳遞差等挑戰可能限制了催化效率，因此人們考慮采用異質結耦合、表面缺陷工程和元素摻雜等方法來解決這個問題[23]。

氮族元素是VA族的單元素化合物，具有高能量和功率密度，并且可以通過堆疊具有不同特性的層狀材料來創建異質結構，以結合每種材料的優點[24]。作為典型的單元素化合物家族，正交相黑磷（BP）的超薄二維結構首次在1914年合成[25]。與石墨相比，黑磷可以將比容量從372提高到4 200 mAh g-1，并與鋰和鈉發生可逆反應[26]。此外，它們在電子應用中具有熱力學穩定性，能夠在極端溫度和濕度條件下運行，從而實現高效和穩定的催化反應。

過渡金屬二硫化物（TMDs）通常由硫族原子層和過渡金屬原子層交替構成。通過改變晶體中的層數，可以調節TMDs的帶隙。作為典型的TMD材料，基于MoS2的納米材料具有獨特的晶格振動特性、高催化活性、低成本和豐富的資源。到目前為止，二維層狀MoS2納米材料由于其獨特的特性，在各種應用中展示出取代石墨烯納米材料的巨大潛力。利用MoS2在N2還原反應中實現了杰出的催化性能。相比其他報道的催化劑，在相同條件下，法拉第效率和氨產率分別達到了1.17 %和8.08 ×10-11mol s-1cm-2。

共軛有機框架（COFs）是通過可逆共價鍵從有機配體形成的，被認為是先進的晶態多孔材料。在2005年，首次展示了利用動態共價化學原理，將小型對稱有機結構單元連接到多孔晶體的共價有機骨架中的示例。某團隊探索了一種綠色簡便的方法，利用COF和pillar芳烴還原的金納米顆粒（P6-Au），形成了一種2D異質P6-Au-COF混合納米材料，對硝基酚異構體的還原表現出高催化性能。

類似石墨烯的MXenes已經通過卷曲和層狀堆積的方式合成，包括單過渡金屬和雙過渡金屬MXenes。單層MXenes由于其費米能級附近的高電子態濃度而顯示出金屬性質。費米能級附近的高電子態濃度表明MXenes是潛在的用于催化應用的層狀材料。MXenes具有優異的電子導電性、高彈性模量和良好的親水性，已經在混合電化學超級電容器和鋰離子電池陽極等多種應用中得到利用。

層狀雙氫氧化物（LDHs）由類似鎂羥石的宿主層和介層結構水分子以及帶正電荷和帶負電荷的陰離子構成。LDHs，特別是含有過渡金屬的LDHs，被廣泛報道為具有高催化活性的有前景的催化劑，適用于與氧氣和氫氣生成相關的應用。據報道超薄NiFe-LDH納米片，厚度為0.6 nm，并在電催化水分解反應中實現了254 mv的過電位，并展示了優異的電荷傳遞性能。

作為一種環境友好的金屬，鉍具有廣泛的有趣特性，適用于多種應用，包括催化。基于鉍的二維層狀納米材料已經報道在能量轉換和儲存設備中展示出高性能。通過引入各種陽離子和陰離子到固有結構中，可以調控帶隙從0.3～3.6 ev，相應的光響應范圍涵蓋了紫外到近紅外。此外，光激發電載流子的有效質量和遷移率受到限制和改善，這對于光電能量轉換、光檢測和光催化等應用是有益的。

h-BN是一種具有類石墨層次結構的六方晶體系統。由于其高溫抗性、高熱導率（約為390 W m-1K-1）、極其穩定的化學性質、強酸腐蝕抗性和良好的電絕緣性，它已被用作催化劑載體或催化劑。然而，由于其低電導率，人們嘗試通過與電導材料（如還原石墨烯氧化物（rGO）和碳納米管（CNTs））的組合來功能化h-BN單層，以擴展其應用范圍。

研究表明一種由剛性有機配體和過渡金屬合成的二維結構的配位化合物，作為一種金屬有機框架（MOF）。MOFs具有單層片狀結構，厚度僅為一個原子，具有高縱橫比和后合成改性的可能性，可以實現定制孔隙用于選擇性吸附和催化，并將功能基團引入MOFs中。由于過渡金屬在MOF中占據很大比例，因此有利于提供大孔徑尺寸、大表面積和形成多種類型MOF結構的多功能性。

二維金屬納米材料，特別是貴金屬，被合成為納米片、納米盤、納米板、納米帶、納米環和納米帶等形式。由于其有趣的電子和結構特性，二維金屬納米材料已經在各種催化反應中得到應用。曾有研究表明二維Pd納米片在甲酸氧化反應中相對于商業Pd黑催化劑表現出的顯著增強效果，這歸因于催化劑表面豐富的活性位點。

1.2 合成

自頂向下和自底向上方法被認為是合成2D層狀納米材料的兩種主要方法。自頂向下合成通常被認為是通過外部力量對層狀塊材料進行分離過程。該方法的關鍵是破壞層間弱范德華相互作用，并沿著層平面斷裂鍵，以獲得2D超薄納米片。有許多途徑可以通過自頂向下方法合成2D納米材料，包括液體/氣體剝離、機械剝離、振動處理、濕式球磨、超聲處理和化學蝕刻等。對于2D層狀納米材料，自底向上合成通常是基于小分子在垂直方向上的非均質組裝和生長限制。自底向上的濕化學合成方法更容易實現大規模生產，并提供了對2D納米材料更可控的合成。這些方法包括表面活性劑輔助合成，表面活性劑自組裝，化學氣相沉積，模板輔助合成，無機-有機層狀和溶劑熱合成。

液體剝離方法被認為是制備多種2D層狀納米材料的最流行方法之一，其合成機制基于通過引入客體分子來削弱層間相互作用，增大層間間距，并通過超聲處理形成穩定溶膠的界面解聚。有人利用N—甲基—2—吡咯烷酮溶液剝離少層黑磷納米片，合成了2D層狀電催化劑，并在氧氣產生應用中實現了高電催化性能。

機械剝離法也是制備多種2D層狀納米材料的常見方法之一。某研究團隊利用超銳鉆石楔子輔助超聲振蕩來剝離面積約為300×900 μm2的2D石墨烯層。著名的透明膠帶法被認為是最常見的機械剝離方法之一，它導致了石墨烯的發現，并能夠制備具有理想性能的高質量2D單層納米材料。例如，Fuhrer團隊通過類似于石墨烯使用膠帶(3 M Scotch)剝離的方式，形成了一個具有強光學性質的大單晶二硒化二銦(In2Se3)，其厚度約為100 nm。

濕式球磨法是一種將材料、溶劑和氧化鋯球按一定比例研磨成納米級漿料的方法。曾有研究報道了一種濕式球磨和超聲剝離的方法，通過該方法合成了具有高結晶度、大側向面積和1 nm厚度的超薄層狀金屬有機框架(MOFs)，其中旋轉速度為低速的60 r/min，超聲剝離使用的溶劑是丙醇和甲醇。

盡管自上而下的方法可以通過簡單的途徑制備具有卓越性能的2D納米材料，從而提供低成本的產品，但這些方法仍然存在一些限制，限制了2D納米材料在實際應用中的使用。這些限制包括不穩定納米片的形成、層數不可控、均勻性差、僅限于層狀材料、產物收率低以及剝離的納米片經常會斷裂和重新堆疊。因此，我們認為有必要進行自上而下的2D納米材料合成的基礎研究，通過策略和開發的進展有望改善這些問題，例如插層輔助膨脹和剝離，以及在層狀材料中含有離子或分子的剝離。

有研究者通過自下而上的溶劑熱法合成了原子層二元金屬有機框架(MOF)納米片，并在基于N,N—二甲基乙酰胺溶液的溶劑中實現了優異的氧氣產生電催化性能?；瘜W氣相沉積是一種常用的大規模2D材料制備方法，具有在實際應用中可控的尺寸和厚度優勢。某團隊提出了一種基于化學氣相沉積的方法來合成2D黑磷，其平均面積通常超過3 μm2。曾有研究工作展示了化學氣相沉積生長高質量h-BN納米材料，其厚度通常在兩到五個原子層之間。在這項工作中，氨硼烷被用作BN的前體，隨后以約1 000 ℃的溫度下，通過Ar/H2氣流進行沉積，生長時間為30～60 min。

然而，傳統的自下而上合成策略通常需要基底材料和表面活性劑的輔助。因此，很難制備分散的2D納米材料，并且產品中殘留的表面活性劑很難去除，這可能限制了它們的應用。

1.3 表征

在上述的小節中，我們已經討論了2D納米催化劑的分類和合成。除了這些主題，表征技術的進步也推動了2D納米材料在催化領域的快速發展。到目前為止，已經出現了一系列復雜的2D納米材料表征技術，包括多種光學、電子和探針顯微術以及各種光譜學方法，可以揭示材料的形貌、缺陷、晶相、電子態密度等信息。在本小節中，我們將簡要介紹幾種用于區分2D納米材料的典型表征技術。

光學顯微鏡（OM）可以快速提供材料的位置和形貌信息。有研究結果展示了MoS2/WSe2異質結構的層疊層之間的明顯區別，并通過顏色對比進行了展示。然而，更準確的材料形貌信息需要更精確的表征，如電子顯微鏡和探針顯微鏡。掃描電子顯微鏡（SEM）是用于納米催化劑結構、拓撲和形貌表征的最常見技術，其分辨率通常達到幾納米。透射電子顯微鏡（TEM）是另一種用于納米催化劑形貌、晶體性和相特性表征的強大技術；此外，它還可以與選區電子衍射（SAED）圖案相結合，獲得更多的晶體性信息。研究人員制備了一種CO2還原復合光催化劑TiO2-graphene-MoS2，并通過SEM觀察了復合結構和形貌，通過TEM觀察了結晶性和相信息。掃描探針顯微鏡（SPM）可以獲得2D納米催化劑更準確的厚度信息和電子性質，例如原子力顯微鏡（AFM）、掃描隧道顯微鏡（STM)]、開爾文探針力顯微鏡（KPFM）和靜電力顯微鏡（EFM）。某研究團隊利用單層石墨烯可視化了在云母上的水分子吸附層，其平均高度為0.37±0.02 nm。有研究人員通過STM控制了MoS2電催化劑的不同活性位點，并通過STM確定了這些活性位點，結果表明HER電催化活性與催化活性位點的數量呈線性關系。此外，EFM被用于分析MoS2原子薄層的靜電屏蔽效應。

除了先進的顯微鏡技術外，還有各種復雜的非破壞性光譜學方法用于2D納米材料的表征，包括拉曼光譜、X射線光電子能譜（XPS）和X射線吸收光譜（XAS）。拉曼光譜提供了對2D納米材料的電子和結構信息的空間分辨率和高光譜分辨率。XPS能夠區分2D納米催化劑中的不同晶相。研究人員利用XPS定量計算了WS2納米片的每個晶相濃度。XAS可以表征原子尺度的結構信息，包括原子的種類、配位化學和氧化態。曾經有學者提出了一種坑孔限定的CeO2納米片平臺，用于在各種活性催化中心評估催化CO氧化反應，在XAS分析中指出，當人工CeO2納米片中坑孔占據率約為20%時，坑周圍鈰位點的平均配位數為4.6。

在本節中，我們概述了2D納米催化劑的分類、合成和表征。我們討論了包括石墨烯、石墨狀碳氮化物、一系列單元素化合物、過渡金屬二硫化物（TMDs）、共價有機框架（COFs）、MXenes、層狀雙氫氧化物（LDHs）、基于鉍的層狀化合物、氮化硼（h-BN）、金屬有機框架（MOFs）和2D金屬納米材料在內的一系列2D納米催化劑。2D納米材料的常見合成方法基于自上而下和自下而上的方法。自上而下的方法包括液體/氣體剝離、機械剝離、化學蝕刻、震蕩處理、濕式球磨和超聲處理。自下而上的方法包括表面活性劑輔助合成、表面活性劑自組裝、化學氣相沉積、模板輔助合成、溶劑熱合成和無機-有機層狀合成。此外，我們介紹了一系列典型的2D納米材料表征技術，包括光學顯微鏡（OM）、掃描電子顯微鏡（SEM）、透射電子顯微鏡（TEM）、掃描探針顯微鏡（SPM）以及拉曼光譜、X射線光電子能譜（XPS）、X射線吸收光譜（XAS）等光譜學方法。

2 2D納米材料的催化應用

2.1 染料降解

就染料降解而言，應強調2D納米材料適用于氧化性染料光降解反應，因為它們具有較小的動力學壁壘和最佳的厚度，提供了較大的表面積。例如，有學者通過水熱法合成了高結晶度的BiOCl單晶納米片。

圖1展示了BiOCl納米材料的光激發降解，BiOCl-001和BiOCl-010的直接半導體降解效率分別為99%和59%。相比之下，間接半導體的光催化活性較低，BiOCl納米材料在紫外光下比可見光下表現出更高的光激發性能。此外，楊等人構建了BiOCl和BiOCl-OH光催化劑，用于紫外光照射下365 nm波長的廢水中羅丹明B染料的高效光催化和降解，如圖2所示。

圖1 在紫外光下，單晶BiOCl納米片直接半導體光激發降解污染物

圖2 BiOCl和BiOCl-OH光催化劑用于紫外光驅動的光催化染料降解

與純BiOCl相比，BiOCl-OH顯示出增強的光催化活性，因為紫外光誘導了氧空位數量的增加，FT-IR光譜中的峰對應于羥基團，表明羥基團在羅丹明B染料降解的光催化活性中起著重要作用。也有學者開發了一種層狀異質結構的黑磷/石墨狀碳氮化物（BP/CN）納米材料，用于高效光催化染料降解和產生高活性的過氧化氫物種，如圖3所示。

圖3 層狀異質結構的黑磷/石墨狀碳氮化物（BP/CN）納米材料用于高效光催化

2.2 消除有毒物質

酚類化合物是高度有毒的有機污染物，污染水體。這些化合物來自制藥、印刷、染料、農藥和石油精煉等行業。工業廢水中酚類的存在使得地表水極易受到污染。因此，尋找高效安全的降解技術值得全球關注。例如，某學者發現基于g-C3N4/Bi2WO6/rGO（摻入3 %（質量分數）的rGO）的異質結光催化劑在光照和太陽光照射下，對布洛芬的光催化降解分別實現了86%和98%的降解率。

抗生素能夠在人體中容易積累，導致不可逆的損害，光催化氧化已被應用為廢水處理中抗生素去除的有效方法。有研究結果證明，在夏季條件下，抗生素四環素在生物量濃度和化學需氧量（COD）為4和7天的水力停留時間下可以減少93%和99%，盡管冬季的光降解較低可能導致總體去除效率降低。這些結果首次在室外廢水環境中有效地證明了四環素的去除，并表明藻類廢水處理相比傳統生物廢水處理具有更高的去除能力。

2.3 析氫反應（HER）

在當前全球環境污染和能源危機日益嚴重的背景下，迫切需要開發新能源。氫能作為一種新型清潔能源資源，不僅沒有二次污染，而且具有高能量密度，已經成為低碳和零碳能源。HER是陰極反應，也被稱為水分解的一半。在酸性溶液中，HER的詳細過程可以分為質子吸附和氫解吸兩個主要步驟，其基本機制是基于Volmer機理、Heyrovsky機理和Tafel機理，其中電催化劑的吸附位點對HER起著重要作用。許多研究致力于開發二維材料催化劑，探索其作為高效HER活性的潛在催化劑的吸引力物理化學性質。例如，Ma等人從大塊黑磷制備了冰輔助剝離的BP/g-C3N4納米片，具有高產品質量、低密度的異常結構缺陷和大的橫向尺寸的特點。

圖4展示了合成的BP/g-C3N4納米片的相應特性。BP、-C3N4和BP/-C3N4納米片的吸收光譜表明，BP納米片的吸收帶在紫外、可見和近紅外區域廣泛分布，而-C3N4和BP/g-C3N4納米片的吸收邊緣分別為466nm和474 nm。此外，對BP/g-C3N4納米片的不同組分比例進行了分析，與單獨的BP和g-C3N4催化劑相比，BP/ g-C3N4納米片在光催化產氫速率和總產物量方面提供了明顯的光催化增強效果。BP的存在擴大了BP/g-C3N4的吸收帶，而g-C3N4的添加不僅保護了BP免受氧化，而且為復合光催化劑中的電荷分離提供了淺陷阱界面，從而減少了BP或g-C3N4納米片中快速載流子復合的限制。

圖4 具有高質量、大側向尺寸和較低異常結構缺陷特性的BP/g-C3N4納米片

2.4 析氧反應（OER）

作為水分解的另一半反應，氧發生反應（OER）可以被視為一個需要四個電子和質子轉移的氧化反應，導致過電位要求和動力學緩慢的響應。由于其原子級薄度、大比表面積和大量表面原子，二維層狀雙金屬氫氧化物（LDH）納米片能夠顯著提高催化性能。某研究團隊通過液相剝離的方法制備了層狀LDH納米片，提出了一種用于催化OER增強的正交方法。

如圖5所示，與剝離的單層LDH納米片相比，體塊層狀LDH表現出較低的OER性能。此外，Qin等人合成了一種二維CoCo-LDH納米網作為OER電催化劑，其中富含具有低配位度的高活性原子，并且CoCo-LDH納米網的介孔結構改善了反應物和產物的擴散，如圖6所示。

圖6 CoCo-LDH 2D納米網格用于增強氧氣進化

2.5 二氧化碳還原反應（CO2RR）

目前，科學家們發現大氣中的CO2濃度超過了過去2 300萬年的水平，并以前所未有的速度增加。CO2被認為是最強大的溫室污染物之一，其濃度的增加與氣候變化密切相關。捕集和高效利用CO2是一個緊迫的全球問題。因此，二維層狀納米材料在光催化和電催化CO2RR應用方面引起了關注，以將CO2轉化為無毒有機物。有學者利用層厚為4.7 nm的均勻Zn-MOF納米材料實現了高效的CO2RR，CO2吸附容量為103.8 cm3/g，如圖7所示。

圖7 超薄的2D Zn-MOF納米片，用于將CO2光還原為CO

與低效率的塊體MOFs相比，光生電荷的壽命延長的協同效應為使用具有理想催化CO2RR活性的2D層狀MOF納米片提供了可能。曾有學者利用二維ZnO進行光催化CO2RR，如圖8所示。與它們的塊體對應物相比，2D ZnO納米片具有理想的帶隙、光吸收能力和大表面催化活性位點，用于CO2RR。

圖8 用于選擇性光還原CO2的2D ZnO納米材料

2.6 癌癥治療

在最近幾十年中，癌癥是人類和社會健康面臨的巨大威脅之一，這激發了對具有理想特性和適用于癌癥治療的功能性納米材料的發展。學者通過使用基于稀土金屬的二維納米材料展示了癌癥治療的效果。也有研究團隊通過水熱合成的2D O-BiOCl-PVP納米片實現了腫瘤的高效消融，這歸因于其物理化學性質和光催化效應的結合，在紫外光照射下，材料表面形成了氧空位，如圖9所示。這項最新研究為納米材料的缺陷工程策略提供了新方向，并擴大了二維層狀納米材料在生物醫學應用方面的應用范圍。

圖9 具有光催化效應的2D BiOCl納米片，用于光子腫瘤治療

在本節中，我們討論了二維納米材料在各種催化應用中的應用，包括環境處理和生物化學技術，包括染料降解、有毒物質的消除、氫析出反應（HER）、氧發生反應（OER）、二氧化碳還原反應（CO2RR）以及癌癥治療。

3 未來展望和挑戰

現在，我們對近期在光催化和電催化應用中的二維納米材料的進展提供一個整體的視角。首先，我們介紹了不同結構和合成方法的范圍。然后，我們重點關注通過增強光吸收能力、增加反應位點、加速載流子分離和電荷遷移、改善表面反應等方面來提高催化性能的新興策略。我們還強調了它們在環境治理和生物化學技術領域的應用。

與傳統的塊狀納米尺度催化劑相比，二維層狀納米材料在光催化和電催化領域具有特定的優勢，如暴露更多活性位點、更有利于反應物擴散和更大的比表面積。此外，通過改變層厚度、表面修飾和外部刺激，對這些材料進行了大量的優化工作，以增強其穩定性、電學性能和機械性能。二維納米催化劑的研究進展和未來方向旨在解決一系列問題和挑戰，總結如下：

宏觀和可控的二維納米材料生產對于催化的實際應用至關重要?；瘜W氣相沉積和液相剝離是生產二維層狀納米材料的潛在合成方法。最近，已經開發出能夠在材料合成過程中檢測熱力學和動力學反應的原位表征設備，這對于深入了解二維納米材料的生長機制非常有益。除了在受控微環境中制造二維納米催化劑的現有進展外，使用受限合成可能是一種重要的生長方法，可以在分子水平上提供對二維納米材料合成的精確控制，以用于催化應用。從長遠來看，仍需開發大規模制備具有固有催化活性的非層狀原子厚度納米片的可控結構，這面臨著重大挑戰，特別是在實現對高質量和均勻的二維納米材料生產的精確控制方面。

一般而言，催化活性與二維納米催化劑的結構和表面特性密切相關，這些特性可以調節電子屬性和電子轉移。二維納米材料的結構和表面特性與其尺寸（層間距離、厚度和橫向尺寸）、暴露表面原子密度、表面雜質的存在、附加功能基團和表面能態相關。值得強調的是，與基面相比，二維納米材料豐富的邊緣使其具有更高的電子轉移活性。因此，二維催化納米材料的設計可以通過調控缺陷、雜原子摻雜以及調節邊緣和平面來獲益。

在二維納米材料中創建具有混合復合結構已成為激烈研究的課題，其中兩種或更多具有不同各向異性和特性的化合物為催化應用的二維納米復合材料的設計創造了新的可能性。此外，通過組合個體材料構建的異質結構在提供結構和電子特性的控制方面顯示出有希望的潛力。因此，二維納米材料在催化相關應用領域的未來方向可能涉及創建夾層結構、受限空間結構和強電子相互作用。此外，多系統耦合的概念為多種機制的協同運作提供了新的機會。例如，壓電半導體同時具有壓電效應和光伏效應。通過結合這兩種效應，通過內部壓電場耦合壓電和光伏效應，可以增強光催化活性。

關于對二維納米材料中催化機制的更深入的理論理解，已經提出了將實驗結果和理論分析聯系起來的模型。然而，目前對二維納米材料的催化研究更加注重催化活性的提升，而非催化機制的基礎科學，許多基于二維納米催化劑的催化研究都是通過試錯進行的。此外，與三維塊狀材料相比，使用二維層狀納米催化劑使反應系統更加復雜；因此，二維催化納米材料基礎科學的新發展對于材料設計和發現是有益的。例如，在光催化方面，光激發下半導體催化劑的帶隙是一個主導因素。目前，二維納米材料和三維塊狀材料的維度對于控制能帶隙位置的基本機制和具體影響尚不清楚。迄今為止，二維納米材料的理論催化機制仍不容易適用于真實的復雜反應系統，因此對催化機制的更多理論和基礎研究值得探索。

除了用于大規模生產的技術發展外，催化劑成型的能力也受到關注，以滿足最終應用的需求。當二維納米材料以散裝粉末的形式使用時，它們可能會團聚，限制了它們的應用。將二維納米材料固定在基底上提供了改善其易用性的有希望的方法。例如，二維納米材料可以外延生長在其他材料的表面上，組裝成泡沫狀，或者支持在碳纖維紙或鎳泡沫上以提高催化活性。