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西北工业大学王俊杰/巩玉同等：突破传统-F终端限制的MXene析氢催化界面调控策略精选

已有 6607 次阅读 2026-6-1 10:37 |个人分类:JAC|系统分类:论文交流

原文出自Journal of Advanced Ceramics (先进陶瓷)期刊

Cite this article:

Gong Y, Yang R, Zhang H, et al. O-termination-induced electronic modulation in MXene-based heterostructures toward sustainable hydrogen evolution. Journal of Advanced Ceramics, 2026, https://doi.org/10.26599/JAC.2026.9221323

文章DOI：10.26599/JAC.2026.9221323

ResearchGate：O-termination-induced electronic modulation in MXene-based heterostructures toward sustainable hydrogen evolution

基金支持：

本工作得到国家自然科学基金（22272128、52272307、51761135032）、深圳市科技计划项目（JCYJ20230807145501003）、国家重点研发计划（2022YFE0109200、2022YFA1502900）、重庆市自然科学基金（CSTB2022NSCQ-MSX1511）以及西北工业大学凝固技术国家重点实验室开放基金（2023-TS-08）等项目的资助。

一、导读

开发高效、低成本的电解水析氢（HER）催化剂，是推动可再生能源利用与绿氢规模化落地的核心技术，也是破解全球能源危机、落实 “双碳” 战略的重要突破口。MXenes材料兼具优异的导电性能、大比表面积与灵活的结构可调控性，是构筑高性能 HER 催化剂的理想候选材料。对MXenes进行定向结构调控，并深入解析其结构与催化性能的构效关系，是实现催化性能跨越式提升的前提。本研究创新性提出正丁基锂诱导的表面端基调控策略，实现了Ti₃C₂T_x表面氟端基（-F）向氧端基（-O）的可控转化。通过制备 Pt/Ti₃C₂T_x、MoS₂/Ti₃C₂T_x两类异质结构催化剂，进一步阐明了作用机制：-F会抑制MXenes基催化剂的析氢活性，-O可显著提升其催化性能。该工作为MXenes基材料的界面改性以及高性能绿色制氢催化剂的设计开发，提供了坚实的理论依据与可行的技术方案。

二、研究背景

随着化石能源消耗加剧与环境污染问题日益严重，氢能因其高能量密度与零碳排放特性，被认为是未来最具潜力的清洁能源载体之一。其中，电解水析氢（HER）由于能够实现高纯度绿色制氢，成为当前能源催化领域的研究热点。然而，HER过程受限于缓慢的界面电荷转移与氢吸附/脱附动力学，需要高性能电催化剂降低反应过电位。因此，开发兼具高活性、低成本和高稳定性的替代催化体系具有重要意义。

MXenes作为一类新兴二维过渡金属碳/氮化物材料，因其优异导电性、高比表面积及丰富表面官能团，在电催化领域展现出巨大潜力。特别是Ti₃C₂T_x MXenes，其表面天然存在-F、-OH及-O等终端基团，可作为异质结构催化剂的重要电子调控平台。现有研究发现，传统基于HF基刻蚀剂制备的MXenes通常富含-F终端，而-F基团会削弱电子传输能力并限制催化活性。而–F与–O终端对MXenes基催化剂的影响规律和机制尚需深入研究，同时研发表面官能团的定向调控策略是性能调控的基础。

因此，本工作通过正丁基锂表面调控策略，实现Ti₃C₂T_x MXene表面-F向-O终端的可控转化，并进一步研究其分别对Pt基和MoS₂基异质结构催化剂HER性能及界面电子结构的影响，为MXene基电催化材料的表面工程设计提供理论与实验依据。

三、文章亮点

（1）提出MXene表面终端精准调控策略，采用正丁基锂处理方法，实现Ti₃C₂T_x表面-F终端向-O终端的定向转化，并成功构建不同-O/-F比例的MXene模型，实现表面化学的精准调控。

（2）实现HER性能显著提升，随着-O终端比例由42%提升至86%，Pt/Ti₃C₂T_x过电位由179 mV降低至121 mV；MoS₂/Ti₃C₂T_x过电位由209 mV降低至166 mV；电荷转移电阻显著降低。说明-O终端能够有效促进HER界面电子传输与反应动力学。

（3）揭示不同催化体系中的双向电子调控机制，结合XPS、原位ATR-FTIR及DFT计算发现，富O使Pt位点缺电子以增强H吸附，使Mo位点富电子以弱化过强H结合，从电子层面阐明性能提升根源。

四、研究结果及结论

如图1所示，本研究首先采用LiF/HCl刻蚀Ti₃AlC₂ MAX相制备Ti₃C₂T_x MXenes，并通过超声剥离得到少层纳米片结构。随后利用正丁基锂对MXenes.进行3、6及9天处理，实现表面-F终端逐步向-O终端转化。在此基础上，分别采用NaBH₄还原法与水热法，制备Pt/Ti₃C₂T_x与MoS₂/Ti₃C₂T_x异质结构电催化剂。TEM与HRTEM显示，富O载体上Pt纳米颗粒尺寸更小、分散更均匀；MoS₂纳米片均匀生长于Ti₃C₂T_xMXenes表面，形成强耦合异质界面（图2-5）。

图1 Pt/Ti₃C₂T_x和MoS₂/Ti₃C₂T_x异质结构催化剂的合成过程示意图

图2 （a）Ti₃AlC₂、Ti₃C₂T_x、Ti₃C₂T_x纳米片的XRD图谱；（b）Ti₃AlC₂、（c）刻蚀后的Ti₃AlC₂和（d）Ti₃C₂T_x纳米片的SEM图像；（e）表面修饰Ti₃C₂T_x的XRD图谱; （f）Ti₃C₂T_x-3、（g）Ti₃C₂T_x-6和（h）Ti₃C₂T_x-9的SEM图像

图3 （a）Ti₃C₂T_x、Ti₃C₂T_x-3、Ti₃C₂T_x-6和Ti₃C₂T_x-9的XPS总谱；（b）Ti 2p的XPS谱图；（c）O 1s的XPS谱图；（d）通过XPS测量的样品中-F/-O官能团分布

图4 （a）Pt/Ti₃C₂T_x、Pt/Ti₃C₂T_x-3、Pt/Ti₃C₂T_x-6和Pt/Ti₃C₂T_x-9的XRD图;（b）Pt/Ti₃C₂T_x和（c）Pt/Ti₃C₂T_x-9的SEM图像;（d）Pt/Ti₃C₂T_x-9的EDS能谱，比例尺为5μm;（e）Pt/Ti₃C₂T_x-9的TEM图像和（f）Pt/Ti₃C₂T_x-9的HRTEM图像

图5 （a）MoS₂/Ti₃C₂T_x、MoS₂/Ti₃C₂T_x-3、MoS₂/Ti₃C₂T_x-6和MoS₂/Ti₃C₂T_x-9的XRD图;（b）MoS₂/Ti₃C₂T_x和（c）MoS₂/Ti₃C₂T_x-9的SEM图像;（d）MoS₂/Ti₃C₂T_x-9的EDS能谱，比例尺为10μm;（e）MoS₂/Ti₃C₂T_x-9的TEM图像和（f）MoS₂/Ti₃C₂T_x-9的HRTEM图像

电化学测试结果表明（图6），随MXenes表面-O终端含量增加，Pt/Ti₃C₂T_x与MoS₂/Ti₃C₂T_x均表现出明显增强的HER活性。其中，Pt/Ti₃C₂T_x-9过电位降低至121 mV；Tafel斜率降低至130 mV dec⁻¹；电荷转移电阻降至53 Ω；TOF达到0.56 s⁻¹。MoS₂/Ti₃C₂T_x-9同样表现出优异的HER性能，其过电位下降至166 mV，Tafel斜率降低至104 mV dec⁻¹。结果表明，-O终端能够有效促进界面电子传输并优化Volmer-Heyrovsky反应动力学。

图6 Pt/Ti₃C₂T_x、Pt/Ti₃C₂T_x-3、Pt/Ti₃C₂T_x-6和Pt/Ti₃C₂T_x-9的HER性能数据：（a）LSV曲线，（b）Tafel斜率，（c）EIS奈奎斯特图；MoS₂/Ti₃C₂T_x、MoS₂/Ti₃C₂T_x-3、MoS₂/Ti₃C₂T_x-6和MoS₂/Ti₃C₂T_x-9的HER性能数据：（d）LSV曲线，（e）Tafel斜率，（f）EIS奈奎斯特图

XPS分析显示-O终端增加后，Pt体系中Pt²⁺比例增加，说明Pt向MXenes失电子；Mo₂S体系中Mo-O比例增加，说明界面电子耦合增强。原位ATR-FTIR进一步证明，Pt/Ti₃C₂T_x-9表现出更强水分子吸附与更早出现的Pt-H信号，说明-O终端有利于水解离及氢中间体形成。DFT计算表明，Pt/Ti₃C₂-90OF中ΔG_H*由0.43 eV下降至0.25 eV；MoS₂/Ti₃C₂-90OF中电子重新分布促进Mo位点电子富集。最终实现氢吸附自由能优化与HER动力学提升。

图7 （a）Pt/Ti₃C₂T_x和Pt/Ti₃C₂T_x-9的XPS总谱（b）Pt 4f和（c）O 1s的XPS谱图；（d）MoS₂/Ti₃C₂T_x和MoS₂/Ti₃C₂T_x-9的XPS总谱（e）Mo 3d和（f）O 1s的XPS谱图

图8（a）Pt/Ti₃C₂T_x和（b）Pt/Ti₃C₂T_x-9的原位DRIFTS谱图

图9（a）Pt/Ti₃C₂T_x氢脱附的自由能变化（b）Pt/Ti₃C₂-90OF的电荷密度差（c）Pt/Ti₃C₂-90OF 异质结界面层上元素的平均Bader电荷布居（单位为e⁻/原子）；（d）Mo₂S/Ti₃C₂T_x氢脱附的自由能变化（e）MoS₂/Ti₃C₂-90OF的电荷密度差（f）MoS₂/Ti₃C₂-90OF异质结界面层上元素的平均 Bader 电荷布居（单位为 e⁻/原子）

本研究成功构建了一种基于MXenes表面终端调控的高效HER异质结构催化体系。通过正丁基锂实现Ti₃C₂T_x表面-F向-O终端的可控转化，显著提升了Pt/Ti₃C₂T_x与MoS₂/Ti₃C₂T_x的析氢性能与稳定性。研究揭示了-O终端在不同催化体系中的差异化电子调控机制：对Pt体系增强H*吸附；对MoS₂体系削弱过强H*结合。该工作不仅深化了MXene表面化学与界面电子结构之间的构效关系理解，也为高性能绿色制氢电催化剂设计提供了新的理论指导与工程化思路。

五、作者及研究团队简介

巩玉同（第一作者），理学博士，西北工业大学副教授，西安市能源催化材料智能设计重点实验室副主任。主要研究方向为多相催化、材料基因工程。目前在多相催化选择性加氢反应、合成氨、电子化合物材料开发、二维材料研发等领域取得一系列创新成果，主持多项国家级及省部级基金。在如Nature Catalysis，Journal of the American Chemical Society，Chemistry of Materials，Nature Communications，Journal of Catalysis等SCI期刊发表学术论文60余篇，总引用6500余次，相关成果获得Chemistry World、日本经济新闻等多家媒体报道。获授权国家及国际专利共12项，省部级奖励3项。担任Nanomaterials期刊、Crystals期刊、Energies等期刊客座编辑。

研究方向：

1. 能源转化材料的设计合成及应用研究

2. 富电子催化材料的研发及催化应用研究

3. 惰性键（N₂、CO₂等）活化转化，精细化工中间体选择性催化

个人主页：https://teacher.nwpu.edu.cn/gongyutong.html

作者邮箱：gongyutong@nwpu.edu.cn

作者ORCID：https://orcid.org/0000-0003-4676-9547

王俊杰（通讯作者），西北工业大学材料学院教授，博士生导师，西安市能源催化材料智能设计重点实验室主任，兼任Materials and Solidification期刊执行主编、Journal of Advanced Ceramics（影响因子：16.9；中国科学院一区）编委等。入选国家级青年人才计划，主要从事材料基因工程理论发展和应用领域研究，特别在发展新型催化、光电材料方面取得一系列创新研究成果。曾主持日本学术振兴会海外研究员项目，并作为骨干成员参与法国国家科研署（ANR）和日本科学技术振兴机构（JST）的重点研究项目。现主持国家级青年人才项目、科技部重点研发计划（2项）、国家自然科学基金面上项目（3项）等项目10余项。已在Nature Catalysis, Nature Communications, Journal of the American Chemical Society, Advanced Materials, Advanced Energy Materials, Chemistry of Materials等国际知名期刊发表SCI论文100余篇，研究成果被德国、英国和日本学术界及媒体广泛报道。第一完成人获2024年陕西省自然科学二等奖和陕西省高等学校科学技术研究优秀成果一等奖。

研究方向：通过人工智能、机器学习等方法与材料科学结合，开展新型催化材料（合成氨、CO₂还原、水分解等）、能源材料（电池、氢能等）和光电材料（自旋电子器件、磁性材料等）的设计、制备和应用研究。

个人主页：https://teacher.nwpu.edu.cn/wang

作者邮箱：wang.junjie@nwpu.edu.cn

作者ORCID：https://orcid.org/0000-0002-6428-2233

作者及研究团队在Journal of Advanced Ceramics上发表的相关代表作：

1) Liang L, Yang Y, Gong Y, et al. Machine learning-guided discovery of stable low-work-function perovskite oxides for advanced catalysis and energy technologies. Journal of Advanced Ceramics, 2025, 14(10): 9221159. https://doi.org/10.26599/JAC.2025.9221159

3) GONG Y, LI H, LI C, et al. Insight into rare-earth-incorporated catalysts: The chance for a more efficient ammonia synthesis. Journal of Advanced Ceramics, 2022, 11(10): 1499-1529. https://doi.org/10.1007/s40145-022-0633-z

3) LI K, WANG J, BLATOV VA, et al. Crystal and electronic structure engineering oftin monoxide by external pressure. Journal of Advanced Ceramics, 2021, 10(3): 565-577. https://doi.org/10.1007/s40145-021-0458-1

《先进陶瓷（英文）》（Journal of Advanced Ceramics）期刊简介

《先进陶瓷（英文）》于2012年创刊，清华大学主办，清华大学出版社出版，清华大学新型陶瓷材料全国重点实验室提供学术支持，创刊主编为中国工程院院士、清华大学李龙土教授，主编为中国科学院院士、清华大学林元华教授、苏州国家实验室周延春教授、广东工业大学林华泰教授和哈尔滨工业大学张幸红教授。该刊主要发表先进陶瓷领域的高质量原创性研究和综述类学术论文，涉及先进陶瓷的制备、结构表征、性能评价的各个细节，尤其侧重新材料研制和先进陶瓷基础科学研究等重要方面，致力于在世界先进陶瓷领域搭建学术交流平台，引领和促进先进陶瓷学科的发展。已被SCIE、Ei Compendex、Scopus、DOAJ、CSCD等数据库收录。现为月刊，2025年发文量为202篇；2025年6月发布的影响因子为16.6，连续5年位列Web of Science核心合集“材料科学，陶瓷”学科34种同类期刊第1名；2024年11月入选“中国科技期刊卓越行动计划二期”英文领军期刊项目；2025年入选中国科学院文献情报中心期刊分区表材料科学1区Top期刊。2023年起，本刊结束与国际出版商的合作，改由清华大学出版社自主研发、拥有自主知识产权的科技期刊国际化数字出版平台SciOpen独家发布，标志着该刊结束多年来“借船出海”的办刊模式，回归本土独立运营，也是我国优质英文期刊中最早回归国产平台的期刊之一。