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成果掠影 & 研究背景
在全球積極推進(jìn)清潔能源轉(zhuǎn)型的大背景下，清潔能源技術(shù)的發(fā)展愈發(fā)成為關(guān)鍵議題。氫能，作為一種清潔、高效且可持續(xù)的能源載體，被寄予厚望，有望在未來(lái)能源格局中占據(jù)重要地位。然而，要實(shí)現(xiàn)氫能的廣泛應(yīng)用，高效且低成本的電催化劑是其中的核心要素。這不僅關(guān)乎制氫過(guò)程的能源效率，更直接影響著氫能生產(chǎn)成本，決定著其能否在大規(guī)模能源市場(chǎng)中具備競(jìng)爭(zhēng)力。
二維過(guò)渡金屬碳 / 氮化物（MXenes），憑借其獨(dú)特的高導(dǎo)電性和可調(diào)控的表面特性，在電催化領(lǐng)域展現(xiàn)出巨大的潛力，成為研究人員關(guān)注的焦點(diǎn)。這類材料的特殊結(jié)構(gòu)使其在多種電化學(xué)反應(yīng)中表現(xiàn)出優(yōu)異的性能，被視為極具前景的電催化材料。鎢基MXene的合成因前驅(qū)體穩(wěn)定性差而長(zhǎng)期受阻。近日，普渡大學(xué)團(tuán)隊(duì)題為“Synthesis of a 2D tungsten MXene for electrocatalysis”的文章通過(guò)理論指導(dǎo)，成功從非MAX相層狀碳化物（W,Ti）?C???前驅(qū)體中選擇性刻蝕出鎢層，首次制備出W?TiC?T? MXene。該材料在析氫反應(yīng)（HER）中表現(xiàn)出144 mV的低過(guò)電位（10 mA cm?2），優(yōu)于現(xiàn)有MXene催化劑，為低成本電催化材料開(kāi)發(fā)提供了新思路。
圖文摘要
創(chuàng)新點(diǎn)歸納：
1.合成路徑創(chuàng)新：摒棄傳統(tǒng) MAX 相前驅(qū)體，選用非 MAX 相層狀碳化物
作前驅(qū)體，經(jīng)理論指導(dǎo)選擇性刻蝕鎢層，制備出MXene，還通過(guò)加過(guò)量鋁優(yōu)化前驅(qū)體制備過(guò)程，解決了合成難題。
2. 材料性能突破：經(jīng)理論和實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證，MXene 富含鎢的基面使其在酸性環(huán)境下，析氫反應(yīng)（HER）過(guò)電位低至～144mV ，性能超越多數(shù)已報(bào)道的 MXene 催化劑，為高效 HER 催化劑研發(fā)提供新思路。
3. 多領(lǐng)域應(yīng)用潛力：對(duì)MXene 的研究顯示，其光學(xué)上紫外高吸收、紅外可透射，非線性光學(xué)傳輸呈反向飽和吸收特性，在光學(xué)限幅、全光開(kāi)關(guān)等光子和光電子領(lǐng)域應(yīng)用潛力大。
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研究?jī)?nèi)容 & 圖文數(shù)據(jù)
（1）前驅(qū)體優(yōu)化與W?TiC?T? MXene的合成
要點(diǎn)精讀：
1.通過(guò)DFT計(jì)算預(yù)測(cè)，含25%鎢空位的（W,Ti）?C???前驅(qū)體更易選擇性刻蝕鎢層，形成有序雙金屬MXene。
2.過(guò)量鋁（2 mol）的添加提升了前驅(qū)體結(jié)構(gòu)質(zhì)量，減少碳層氧雜質(zhì)，增強(qiáng)刻蝕可行性。
3.刻蝕后XRD顯示新寬峰（2θ≈7°），對(duì)應(yīng)MXene的（002）晶面，驗(yàn)證層狀結(jié)構(gòu)形成。
圖1 DFT分析與實(shí)驗(yàn)合成路徑驗(yàn)證
（2）W?TiC?T? MXene的逐步表征
要點(diǎn)精讀：
1.SEM顯示刻蝕后前驅(qū)體由塊狀變?yōu)榧{米片堆疊結(jié)構(gòu)，驗(yàn)證二維層狀剝離。
2.SIMS分析證實(shí)MXene表面終止基團(tuán)（-O、-OH、-F）分布均勻，且金屬層鎢/鈦有序排列。
3.膠體溶液呈現(xiàn)丁達(dá)爾效應(yīng)，支持MXene單層/少層分散特性。
圖 2 合成路徑與初步確認(rèn)
圖 3 前驅(qū)體至MXene的合成與結(jié)構(gòu)演變
（3）W?TiC?T? MXene的性能驗(yàn)證
要點(diǎn)精讀：
1.原子分辨率STEM顯示MXene為三原子層結(jié)構(gòu)（W-Ti-W），外層為高原子序數(shù)的鎢。
2.XPS分析表明表面終止基團(tuán)以氧為主，且鎢、鈦價(jià)態(tài)分別為W??和Ti3?，利于HER活性。
3.電化學(xué)測(cè)試顯示其HER過(guò)電位僅為144 mV（10 mA cm?2），優(yōu)于Mo?CT?（189 mV）等同類材料。
圖 4 MXene原子結(jié)構(gòu)、表面化學(xué)與性能驗(yàn)證
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總結(jié) & 原文鏈接
本研究通過(guò)理論計(jì)算指導(dǎo)前驅(qū)體設(shè)計(jì)，首次從非MAX相層狀碳化物中刻蝕出鎢基MXene（W?TiC?T?），解決了傳統(tǒng)MAX相不穩(wěn)定的難題。該材料兼具高導(dǎo)電性和低HER過(guò)電位，為低成本、高性能催化劑開(kāi)發(fā)提供了新策略。其創(chuàng)新點(diǎn)在于通過(guò)調(diào)控金屬層空位與終止基團(tuán)優(yōu)化催化活性，同時(shí)驗(yàn)證了非MAX前驅(qū)體合成MXene的可行性，拓展了二維材料的制備路徑。
原文鏈接：https://www.science.org/doi/10.1126/sciadv.ads0836
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