晶体平面工程与二维MXene介导的欧姆电子转移的协同作用，在构建高性能三明治结构FeS2氧化反应电催化剂中的应用

《Journal of Colloid and Interface Science》：The synergy of crystal plane engineering and two-dimensional MXene-mediated Ohmic electron transfer for constructing high-performance sandwich-structured FeS 2 oxygen evolution reaction electrocatalysts

氧析出反应（OER）催化剂开发面临动力学缓慢与贵金属成本高的问题。本研究通过密度泛函理论（DFT）指导，设计具有活性（111）晶面的FeS?纳米晶体，并与二维Ti?C?T? MXene构建异质结。实验表明，FeS?/MXene异质结在碱性条件下过电位仅217 mV即可实现10 mA/cm2电流密度，优于单一FeS?纳米晶体。通过精准调控（111）晶面暴露比例，优化了表面吸附活性位点分布，降低反应能垒。同时，MXene与FeS?形成的Ohmic接触界面显著提升电子转移效率，特别是抑制了*OOH形成这一速率决定步的能垒。该异质结结构兼具高活性和稳定性，为金属硫化物OER催化剂设计提供了新思路。

　　本研究聚焦于氧析出反应（OER）催化剂的开发，特别是在解决其催化活性和稳定性方面的问题。随着全球对清洁能源的需求不断上升，水分解技术作为一种高效的能量转换和储存方式，受到了广泛关注。然而，OER的缓慢动力学特性仍然是制约水分解效率的关键因素之一。目前，尽管贵金属基催化剂（如IrO?和RuO?）在OER方面表现出优异的性能，但其稀缺性和高昂的成本严重限制了其在大规模工业应用中的可行性。因此，寻找经济高效且性能优越的替代催化剂成为研究热点。

近年来，硫化物型过渡金属（如FeS?、CoS?和NiS?）因其丰富的资源、低成本以及潜在的催化活性，成为OER催化剂研究的重要方向。然而，这些材料在实际应用中仍面临诸多挑战。首先，OER是一个涉及多个中间产物（如*OOH和*OH）吸附和脱附的复杂过程，催化剂表面的吸附行为和电子特性对反应效率至关重要。其次，硫化物型材料由于其独特的电子结构，导致金属活性位点对中间产物的吸附能力较弱。此外，不规则的晶格结构和表面缺陷进一步降低了其电子导电性，从而影响了电荷转移效率。最后，高活性金属硫化物纳米晶体在使用过程中容易发生结构聚集和表面活性位点的氧化失活，这对催化剂的稳定性构成了威胁。

为了解决上述问题，本研究提出了一种基于密度泛函理论（DFT）指导的策略，旨在开发具有活性（111）晶面的硫化物型FeS?纳米晶体，并通过与二维MXene纳米片的结合，构建出一种新型的三明治结构异质结（FeS?/MXene/FeS?）。这种异质结结构不仅优化了催化剂表面的活性位点分布，还显著提升了Fe活性位点对OER中间产物的吸附能力，同时降低了反应的能垒。此外，MXene的引入促进了与FeS?之间的欧姆接触，进一步优化了界面电子传输，特别是降低了速率决定步骤中*OOH形成过程的能垒。实验结果表明，这种新型异质结催化剂在碱性条件下展现出卓越的OER活性，仅需217 mV的过电位即可达到10 mA cm?2的电流密度。同时，该结构还具备良好的稳定性，能够有效应对OER过程中的结构聚集和表面失活问题。

本研究的创新之处在于，通过精确控制FeS?纳米晶体的（111）晶面暴露程度，实现了对催化剂表面活性位点的优化配置。这不仅提升了FeS?对OER中间产物的吸附能力，还增强了其电子传输效率。同时，MXene的二维结构为催化剂提供了额外的活性位点，并通过其丰富的表面官能团调节了纳米晶体的表面特性，进一步改善了OER性能。此外，MXene与FeS?之间的欧姆接触界面有效降低了电子传输阻力，使得催化剂在实际应用中表现出更高的效率和稳定性。

在实验设计方面，研究人员首先通过DFT计算预测了FeS?纳米晶体的（111）晶面暴露对其OER性能的影响。随后，通过化学合成方法成功制备了具有高（111）晶面暴露率的FeS?纳米晶体。接着，将这些纳米晶体与MXene纳米片结合，构建出三明治结构的异质结催化剂。实验过程中，研究人员通过多种表征手段（如X射线衍射、扫描电子显微镜、X射线光电子能谱等）验证了催化剂的结构特征和表面性质。电化学测试结果表明，该异质结催化剂在碱性条件下表现出优异的OER活性，其过电位显著低于传统FeS?纳米晶体。

从材料科学的角度来看，本研究强调了晶面工程在提升OER催化剂性能中的关键作用。通过调控催化剂的晶面暴露，可以有效改变其表面原子排列和电子特性，从而优化活性位点的分布和中间产物的吸附行为。此外，研究还表明，晶面工程不仅能够提高催化剂的活性，还能改善其稳定性。这一发现为未来OER催化剂的设计提供了新的思路，即通过结合高活性晶面与具有良好电子传输性能的二维材料，实现催化剂性能的全面优化。

在实际应用方面，该异质结催化剂的优异性能有望推动其在碱性水分解系统中的广泛应用。例如，在电解水制氢过程中，OER是限制整体效率的关键步骤之一。通过使用这种新型催化剂，可以显著降低OER的过电位，从而提高水分解的整体效率。此外，该催化剂的稳定性也为其在工业规模应用提供了保障。在实际操作中，催化剂需要经历长时间的电化学反应，而本研究中设计的三明治结构能够有效防止纳米晶体的结构聚集和表面失活，从而延长其使用寿命。

从技术发展角度来看，本研究的成果为OER催化剂的开发提供了重要的理论依据和技术路径。首先，通过DFT计算指导材料设计，使得催化剂的性能优化更加精准和高效。其次，利用MXene的二维结构和优良的导电性，构建出具有高效电子传输特性的异质结催化剂，这为提升OER性能提供了新的材料选择。最后，该研究还揭示了晶面工程与异质结构建之间的协同效应，为未来催化剂设计提供了更广阔的探索空间。

在合成方法上，研究人员采用了多种策略以实现FeS?纳米晶体的（111）晶面暴露。首先，通过选择合适的前驱体和反应条件，控制纳米晶体的生长方向，使其优先暴露（111）晶面。其次，通过表面修饰和功能化处理，进一步优化纳米晶体的表面性质，使其更有利于OER中间产物的吸附。最后，通过与MXene纳米片的结合，构建出具有协同效应的异质结结构，从而提升催化剂的整体性能。

从应用前景来看，该异质结催化剂不仅适用于碱性水分解系统，还可能在其他电化学反应中展现出良好的性能。例如，在燃料电池、金属空气电池等能源转换装置中，OER同样是一个关键反应步骤。因此，这种新型催化剂的开发为相关领域的技术进步提供了重要的支持。此外，该研究还为其他类型的硫化物催化剂提供了设计思路，即通过晶面工程和异质结构建，提升其在多种电化学反应中的性能。

在科学意义方面，本研究不仅揭示了晶面工程对OER催化剂性能的影响机制，还为未来催化剂设计提供了新的理论框架。通过结合高活性晶面与二维材料，研究人员能够更系统地调控催化剂的表面性质和电子结构，从而实现性能的全面提升。此外，该研究还强调了材料界面在电化学反应中的重要性，指出通过优化界面电子传输，可以显著降低反应能垒，提高催化剂的效率。

综上所述，本研究通过晶面工程和异质结构建，成功开发出一种新型的OER催化剂。该催化剂在碱性条件下表现出优异的活性和稳定性，其性能优于传统FeS?纳米晶体。这一成果不仅为OER催化剂的开发提供了新的思路，也为其他电化学反应的催化剂设计奠定了基础。未来，随着对晶面工程和异质结构建研究的深入，有望进一步提升催化剂的性能，推动清洁能源技术的发展。