高性能Mo2Ti2C3Tx/MoS2复合电催化剂：推动可持续氢能生产的关键突破

为解决铂基催化剂成本高、资源稀缺制约电解水制氢（EWS）规模化应用的问题，研究人员开发了Mo2Ti2C3Tx/MoS2复合电催化剂。通过优化比例，MMS-2复合材料在碱性介质中表现出298 mV的低过电位（10 mA/cm2）和195 cm2的高电化学活性面积，24小时稳定性优异。该研究为替代贵金属催化剂提供了高效、可持续的解决方案。

　　

论文解读

背景与挑战

随着化石燃料消耗加剧环境危机，氢能作为清洁能源载体备受关注。然而，电解水制氢（EWS）的规模化应用面临核心瓶颈：依赖铂（Pt）等贵金属催化剂，其高昂成本和稀缺性严重制约发展。尽管过渡金属化合物（如MoS₂）和新型二维材料MXene展现出潜力，但其催化效率与稳定性仍无法媲美贵金属。如何通过材料设计突破性能极限，成为可持续氢能生产的关键科学问题。

研究设计与方法

马来西亚拉扎克陶瓷材料有限公司（Laizhou Kai Ceramic Materials Co., Ltd.）的研究团队创新性地将双过渡金属MXene（Mo₂Ti₂C₃T_x）与MoS₂复合，通过两步法合成：

1. 微波辅助水热法制备MoS₂纳米花；
2. 氢氟酸蚀刻+水热整合将MoS₂嵌入MXene层间，形成MMS系列复合材料。

主要发现

3.1 物化表征

• XRD与FTIR：MXene的（002）峰从14.9°位移至6.3°，证实Al层成功蚀刻；MoS₂特征峰（9.8°, 25.6°）与MXene共存，但低负载量（2-3 wt.%）未显著改变晶体结构。
• 微观形貌：FESEM显示MXene呈现"手风琴"状层状结构，MoS₂纳米片边缘修饰（图4d）；HRTEM测得MMS-2层间距达6.124 ?，优于纯MXene（7.54 ?），表明MoS₂插入扩大了层间通道。
• 表面化学：XPS证实Mo⁴⁺（229.1 eV）和Ti-F键（459.4 eV）主导，硫氧化物（171 eV）提示界面强相互作用。

3.2 电化学性能

• 活性优化：MMS-2在1 M KOH中过电位仅298 mV（10 mA/cm²），逼近商用Pt/C（图7a）；Tafel斜率112 mV/dec表明其Volmer-Heyrovsky反应机制更高效。
• 稳定性突破：24小时恒电流测试（10-30 mA/cm²）后活性衰减<5%，归因于195 cm²的高ECSA（图8a）和55 Ω的低电荷转移电阻。

结论与意义

该研究通过精准调控MoS₂-MXene界面，创制出兼具高活性与稳定性的复合电催化剂，其性能超越多数已报道的非贵金属体系（补充材料表S1）。MMS-2的优异表现源于三大协同效应：

1. MXene的高导电性加速电子传输；
2. MoS₂边缘活性位点促进H^*吸附；
3. 扩大的层间距优化质子和电解质扩散。

这项发表于《International Journal of Hydrogen Energy》的工作，不仅为EWS提供了低成本催化剂设计范式，更推动了MXene基材料在能源领域的应用边界。未来通过调控表面终端（-O/-F比例）和三维结构设计，有望进一步逼近工业级电流密度需求。