西工大杜乘风、叶谦与NTU颜清宇《Small》：MXene诱导内建电场促进MoNi4合金水分解动力学及稳定性

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氢能以其高能量密度(142 MJ kg⁻¹)和低碳排放而被认为是一种理想的能量载体，因此电催化水分解技术受到了广泛的关注。虽然贵金属Pt等电催化剂在酸性条件下表现出最高的析氢活性，但其在工业碱性条件下的电催化性能仍然较差。此外，Pt储量有限、成本高，也进一步阻碍了其在工业上的广泛应用。因此，发展兼具高催化活性和经济效益的非贵金属基催化剂材料具有重要的意义，设计并制备具有实用价值的碱性催化剂材料仍然是未来研究的核心目标之一。
近日，西北工业大学杜乘风副教授、叶谦副教授与新加坡南洋理工大学颜清宇教授课题组在期刊《Small》上发表了题为“Promoting the Water-Reduction Kinetics and Alkali Tolerance of MoNi₄ Nanocrystals via a Mo₂TiC₂T_x Induced Built-In Electric Field”的研究论文。提出了一种基于MXene与其表面负载合金纳米颗粒间内建电场的电催化剂改性策略。为改善贵金属在碱性溶液中电催化性能差和耐腐蚀性问题，该课题组选择具有类Pt解吸/附动力学的Mo-Ni双金属合金为电催化剂基体材料，通过两步反应法获得了以Mo₂TiC₂T_x MXene为载体支撑MoNi₄合金纳米晶的纳米花状MoNi₄-MX₁₀纳米复合材料。密度泛函理论（DFT）计算结果表明，MXene引入后，在复合材料中的MoNi₄合金和MXene的界面处建立起具有一定强度的内建电场，从而促进了电子从Mo₂TiC₂T_x向MoNi₄的转移。同时，由于电子在MoNi₄位点上的积累，进一步影响了催化中间体以及电解液中其它离子在MoNi₄上的吸附，从而实现电化学活性有效调控，并极大地改善了MoNi₄合金在碱性溶液中的长期稳定性问题。作为电催化剂材料，MoNi₄-MX₁₀纳米复合材料在1M KOH 溶液中表现出优异的电催化活性和长期稳定性，在电流密度为10 mA cm⁻²时，其过电位仅为122.19 mV，Tafel斜率为55.88 mV dec⁻¹，甚至低于商用10% Pt/C催化剂 (129.07 mV，65.64 mV dec⁻¹)。此外，MoNi₄-MX₁₀催化剂在碱性溶液中也表现出非凡的化学稳定性，运行300小时后活性损失仅为0.15%/小时。这反映了基于MXene的界面工程在合成高效稳定电催化剂方面的巨大潜力,为设计和制备高活性和稳定性的碱性催化剂材料提供了一种全新思路。 
图1. 密度泛函理论 (DFT) 计算: a) MoNi₄合金与Mo₂TiC₂O₂界面示意图及其沿z轴方向的静电势分布;
b) MoNi₄合金与Mo₂TiC₂O₂界面处差分电荷密度图; c) MoNi₄晶格中可能发生H₂O*和H*吸附的活性位点; d, e)不同活性位点处发生H₂O*吸附和生成H₂的吉布斯自由能图。  
图2. MoNi₄-MX₁₀纳米复合材料形貌表征: a) 形貌示意图; b) SEM; c) TEM (插图: SAED); d) HRTEM; e, f) i-FFT变换; g) EDX元素分布图。  
图3. 催化剂材料在1M KOH碱性溶液中的电化学性能表征: a) LSV；b) C_dl ; c, d) 归一化后的LSV及其相应Tafel曲线; e, f) 在电流密度为10 mA cm⁻²下，MoNi₄合金和MoNi₄-MX₁₀纳米复合材料长期稳定性测试CP曲线对比图及其相应测试图。  
图4. 催化剂材料的表面化学性质表征: a) Ni 2p ; b) Mo 3d的XPS高分辨谱图，其中图上部为MoNi₄合金，图下部为MoNi₄-MX₁₀纳米复合材料。  
图5. 催化剂材料稳定性测试后的形貌对比：MoNi₄合金电化学测试后的形貌a) TEM; b) HRTEM; c) SAED; MoNi₄-MX₁₀纳米复合材料测试后的形貌d) TEM (插图为SAED); e) HRTEM; f, g)对应于e)图i-FFT变换。 西北工业大学博士生赵香园和汤可为为该论文的共同第一作者，通讯作者为西北工业大学杜乘风副教授、叶谦副教授以及新加坡南洋理工大学颜清宇教授。 论文信息Zhao, X. Y., Tang, K. W., Lee, C., Du, C.-F., Yu, H., Wang, X. M., Qi, W. H., Ye, Q. Y., Yan, Q., Promoting the Water-Reduction Kinetics and Alkali Tolerance of MoNi₄ Nanocrystals via a Mo₂TiC₂T_x Induced Built-In Electric Field. Small 2022, 2107541. 论文连接：https://onlinelibrary.wiley.com/doi/abs/10.1002/smll.202107541

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