具有协同效应的MXene/MoS₂杂化电催化剂，可显著提升氧气的释放活性，从而实现高效的水分解

本研究通过水热法制备了Ti3C2Tx/MoS2异质结构电催化剂，用于碱性条件下的氧析出反应（OER）。实验表明，2%Ti3C2Tx/MoS2催化剂具有最低过电位246mV、塔菲尔斜率73mVdec-1，同时展现出高比表面积和长期稳定性。密度泛函理论计算显示该异质结构能降低OER能垒，增强电荷转移效率。该研究为开发高效低成本非贵金属OER催化剂提供了新思路。

Pervaiz Ahmad | Niaz Ahmad Niaz | Rimsha Shehzadi | Awais Khalid | Fawad Ali Shah | Fayyaz Hussain

沙特阿拉伯阿尔卡吉（Al-Kharj）11942，萨塔姆·本·阿卜杜勒阿齐兹大学（Prince Sattam Bin Abdulaziz University）科学与人文学院物理系

摘要

开发一种低成本且高效的、不含贵金属的水分解电催化剂受到了广泛关注。MXenes是一种新型二维材料，因其具有较高的催化活性、优异的金属导电性、优异的亲水性、巨大的表面积和较高的热稳定性而受到研究。MoS₂作为一种典型的二维过渡金属硫属化合物，因其在氧演化反应（OER）中的优良性能而被研究，这些性能包括：出色的催化活性、高密度的催化活性边缘位点、层状结构、较大的比表面积以及较小的体积膨胀。将MXene（Ti₃C₂）与MoS₂结合使用，通过有效的整合提升了电催化性能，其中MoS₂增加了MXene的表面积并抑制了其重新堆叠。2%的Ti₃C₂/MoS₂电催化剂表现出最低的过电势（246 mV）、较小的塔菲尔斜率（73 mV dec⁻¹）、较大的电化学表面积以及比其他催化剂更长的使用寿命，这些特点突显了其卓越的OER性能。密度泛函理论（DFT）模拟表明，Ti₃C₂/MoS₂异质结构在OER过程中具有较低的吉布斯自由能障碍，这表明了高效的电荷转移效率和强烈的活性位点相互作用。本研究为利用非贵金属通过水分解实现OER提供了有价值的见解，从而实现可持续的氢气生产。

引言

由于人口增长和经济扩张，全球对能源的需求持续增加。然而，不可再生能源的日益减少以及化石燃料消耗对环境的负面影响，加速了人们对清洁和可再生能源转换与储存技术创新的研究[1]、[2]、[3]。在各种可再生能源中，氢气因其高能量密度、环保性以及作为无碳燃料的潜力而被视为一种有前景的替代品[4]。水分解被认为是大规模生产氢气最有效的策略之一，该过程将水分子分解为氢气和氧气（$2H_{2}O\to 2H_2+O_2$）。然而，由于强H-O键能（），这一反应在热力学上较为困难，因此需要高效的电催化剂来降低能量障碍[5]。水分解包括两个半反应：阴极处的氢气演化反应（HER）和阳极处的氧演化反应（OER）[6]、[7]。OER通常被认为是决定反应速率的步骤，因为它涉及复杂的四电子机制来释放氧气（$H_{2}O\to O_2+4H^{+}$），因此寻找有效的催化剂以降低高过电势并改善反应动力学至关重要[8]、[9]。为了克服这些限制，催化剂对于加速OER反应速率和降低能量障碍至关重要。目前，像RuO₂和IrO₂这样的贵金属氧化物在酸性和碱性条件下表现出最佳的催化性能，但它们的高成本和有限的天然储量限制了其大规模应用[10]、[11]、[12]、[13]、[14]。因此，开发高效、地球丰富且低成本的OER电催化剂具有重要意义。最近，包括过渡金属、硫属化合物[15]、[16]、二硫属化合物[17]、碳化物、氮化物、硼化物和磷化物[18]、[19]、氧化物[20]、氢氧化物[21]、硫化物[22]、硒化物[23]、基于碳的材料（如石墨烯[24]、[25]）、金属有机框架（MOFs）[26]以及MXene[27]、[28]在内的多种非贵金属基材料，因其优异的OER催化活性而被研究作为可行的选择。

其中，MXenes具有高导电性、丰富的活性位点、可调的表面化学性质和亲水性官能团，使其成为电催化的理想候选材料[29]、[30]、[31]、[32]。Ti₃C₂因其优异的亲水性、导电性和结构稳定性而受到关注[29]、[33]。基于Ti₃C₂的MXene在电化学转化和催化领域展示了特别有益的应用[34]。

同样，二硫化钼（MoS₂）作为一种典型的过渡金属硫属化合物，由于其层状S–Mo–S结构以及活跃的边缘位点和有利的电子性质，也被认为是一种潜在的电催化剂[35]、[36]、[37]。MoS₂因其层状结构、较大的理论容量和有利的电化学行为而被视为有前景的电极材料[38]、[39]。特别是MoS₂高密度的催化活性边缘位点已得到深入研究[38]、[39]。这些位点由于未饱和的配位和独特的电子结构而表现出增强的反应性。然而，其固有的局限性，如有限的导电性和聚集倾向，限制了其催化效率[40]。为了提高二维材料的催化性能，采用了多种策略，包括异原子掺杂、表面官能团修饰和构建异质结构。例如，Liu等人合成了一种钴硼酸盐/Ti₃C₂T_x MXene杂化物，作为高效的非贵金属OER电催化剂，在1 M KOH溶液中表现出优异的OER催化活性，电流密度为（10 mA/cm²），过电势为250 mV，塔菲尔斜率为约53 mV dec⁻¹ [34]。Ghorbanzadeh等人提出了一种新的CuCo₂O₄/Ti₃C₂T_x/镍泡沫（NF）杂化电催化剂，以解决电导率低和晶体稳定性差的问题，从而促进OER[41]。

在本研究中，通过将导电性MXene与催化活性MoS₂结合使用，有望增强电荷转移、暴露更多活性位点并提高整体OER性能。MXene/MoS₂电催化剂是通过水热法合成的。合成材料通过XRD、SEM、EDX、元素映射、FTIR、TGA和DSC进行了表征。为了评估其在氧演化反应中的性能，将不同比例的MoS₂和MXene在碱性介质中进行了组合和测试。高导电性的MXene与催化活性MoS₂的结合有望增强电荷转移、增加暴露的活性位点数量并提高OER过程的整体活性[42]。

章节片段

化学品和试剂

硫脲（CH₄N₂S，>96%）、钼酸铵（(NH₄)₆Mo₇O₂₄.4H₂O，99%）、聚偏二氟乙烯（PVDF）和蒸馏水均从Sigma Aldrich公司购买。乙二醇（C₂H₅OH，99.5%）从Riedel-de Haen公司购买。氢氧化钾（KOH，98%）从ACS试剂公司获得。盐酸（HCl，99%）从BHD Analar公司购买。实验过程中使用了乙醇（C₂H₅OH，99%）和去离子水。

MoS₂的合成

首先，使用20 mL去离子水溶解了4.84 g的MoS₂。

结构、形态和元素分析

使用XRD确认了每个制备电极的晶体结构。Debye Scherrer方程用于确定制备电极的晶体尺寸：

其中K表示Scherrer常数（K = 0.94），θ代表布拉格角，β表示半高宽（FWHM），D表示晶粒尺寸，λ表示X射线波长（λ = 1.5406 Å）[12]。

在Ti₃C₂ MXene中，XRD峰出现在2θ值为18.25°、23.38°、27.46°的位置。

结论

在这项工作中，我们利用水热法合成了不同比例的廉价且高效的电催化剂（Ti₃C₂/MoS₂），用于OER应用。2%的Ti₃C₂/MoS₂电催化剂表现出较低的过电势（246 mV）、较小的塔菲尔斜率（73 mV dec⁻¹）、较大的电化学表面积，并具有长期稳定性，这些特点表明了其优异的OER催化活性。使用了多种表征技术来分析其形态和结构。

CRediT作者贡献声明

Pervaiz Ahmad：验证、软件、资源准备。

Niaz Ahmad Niaz：写作 – 审稿与编辑、初稿撰写、验证、监督。

Rimsha Shehzadi：项目管理、实验研究、数据分析、概念化。

Awais Khalid：资金获取、数据分析、概念化。

Fawad Ali Shah：资金获取、数据分析、概念化。

利益冲突声明

作者声明以下可能被视为潜在利益冲突的财务利益/个人关系：Fayyaz Hussain的报告由Bahauddin Zakariya大学提供。Fayyaz Hussain与Bahauddin Zakariya大学存在关联，包括一项待批准的专利N-A。声明所有作者在发表本文时没有利益冲突。如果有其他作者，他们也声明没有已知的利益冲突。

致谢

作者感谢萨塔姆·本·阿卜杜勒阿齐兹大学通过项目编号（PSAU/2025/01/34112）为这项研究提供资金支持。