MXene辅助NiFe硫化物实现高性能阴离子交换膜海水电解：突破氧析出反应催化剂的稳定性瓶颈

为解决阴离子交换膜海水电解（AEMSE）中缺乏高稳定性氧析出反应（OER）催化剂的难题，哈尔滨工业大学的研究团队通过将MXene（Ti3C2）与NiFe硫化物（(Ni,Fe)S2）复合，开发出(Ni,Fe)S2@Ti3C2催化剂。该材料通过Ti-O-Fe键抑制Fe物种溶解，触发晶格氧机制（LOM），在2 A cm?2电流密度下仅需1.598 V过电位，并实现1000小时稳定运行。研究为工业级海水电解提供了高效、低能耗（48.4 kWh kg?1 H2）的解决方案，发表于《Nature Communications》。

　　

研究背景与意义
全球绿色氢能需求激增，但传统淡水电解面临资源短缺挑战，直接海水电解成为理想替代方案。然而，阴离子交换膜海水电解（AEMSE）的核心瓶颈在于阳极氧析出反应（OER）催化剂易受高电位下金属溶解和氯离子（Cl^?）腐蚀的双重破坏。现有过渡金属材料（如层状双氢氧化物LDHs）虽成本低廉，但导电性差且稳定性不足，而硫化物虽能通过静电排斥暂缓Cl^?侵蚀，却难以避免活性金属（如Fe）的持续流失。如何协同提升催化活性、稳定性与抗腐蚀能力，成为实现工业级AEMSE的关键。

研究设计与方法
哈尔滨工业大学的研究团队提出MXene辅助策略，通过水热-硫化两步法将(Ni,Fe)S₂纳米片阵列生长在Ti₃C₂基底上。结合原位X射线吸收光谱（XAFS）和X射线光电子能谱（XPS）解析电子转移路径，利用密度泛函理论（DFT）计算阐明催化机制，并通过旋转环盘电极（RRDE）评估氯析出反应（CER）抑制效果。工业级电解测试采用Raney Ni阴极与(Ni,Fe)S₂@Ti₃C₂阳极组装两电极体系，在70°C下验证长期性能。

研究结果
1. 材料合成与结构表征
垂直交错的(Ni,Fe)S₂@Ti₃C₂纳米片阵列（厚度~5 nm）暴露出丰富的活性位点。XPS证实Ti₃C₂通过Ti-O-Fe键捕获(Ni,Fe)S₂的电子，使Ni/Fe价态升高（Ni 2p结合能上移0.3 eV），促进后续重构为高活性NiFeOOH。

2. 电催化OER性能
在1 M KOH中，(Ni,Fe)S₂@Ti₃C₂仅需266 mV过电位即可达到0.5 A cm^?2，塔菲尔斜率低至26 mV dec^?1，优于商用RuO₂（61 mV dec^?1）。在模拟海水（1 M NaOH+0.5 M NaCl）中仍保持368 mV@2 A cm^?2的活性，且连续运行1000小时电流衰减仅69 μA cm^?2 h^?1。

3. 机制解析与Cl^?抗性
原位拉曼光谱发现(Ni,Fe)S₂@Ti₃C₂在OER中生成O-O中间体（750 cm^?1峰），证实其遵循晶格氧机制（LOM）。DFT计算显示Ti₃C₂使NiFeOOH的氧2p带中心上移0.5 eV，降低LOM决速步能垒（0.30 eV vs. AEM的0.43 eV）。此外，表面硫酸盐（SO₄^2?）和MXene的负电荷官能团协同排斥Cl^?，使ClO^?生成浓度降低60%。

4. 电解槽性能
全电池在0.5 A cm^?2下稳定运行500小时，电解效率达70%，能耗仅48.4 kWh kg^?1 H₂，优于多数报道的AEMWE系统（通常>50 kWh kg^?1）。

结论与展望
该研究通过MXene与硫化物的界面工程，首次实现LOM机制与Cl^?抗性的协同优化，为海水电解工业化提供了可扩展的催化剂设计范式。未来可通过调控MXene表面终端（如-SH、-NH₂）进一步优化质子传递路径，推动AEMSE与可再生能源（如海上风电）的集成应用。