通过表面终止工程实现卤化MXenes上的氢气释放：一种基于数据的计算与实验结合策略

《Journal of Materials Chemistry A》：Hydrogen evolution on halogenated MXenes via surface termination engineering: a data-informed computational and experimental strategy

表面工程调控二维MXene的氢能反应催化性能：通过计算指导实验，发现Cl-终止的Ti3C2Cl2具有最优的HER活性（25.8 mA cm-2），且N/S/Se掺杂的Ti3C2Cl2(O/T')可降低ΔGH至-0.05至-0.1 eV。活性位点-Ti键长和局域电荷是关键设计参数。

　　

二维（2D）MXenes的表面修饰工程为调节电催化性能提供了一种变革性的方法，尤其是在氢演化反应（HER）方面。尽管含氧和氟的MXenes在催化研究中占据主导地位，但其他卤素修饰方式以及非金属表面掺杂的潜力尚未得到充分关注，这为设计下一代电催化剂开辟了重要的研究方向。在本研究中，我们结合了基于第一性原理模拟的实验结果和数据驱动的结构-电子性质-反应性关联分析，系统性地提升了含卤素修饰的Ti?C? MXenes在HER反应中的催化性能。Ti?C?Cl?表现出优异的氢吸附能，这一结论通过计算预测并在实验中得到验证：其催化电流密度（25.8 mA cm?2，相对于F修饰的同类材料在-0.9 V（相对于RHE）下的电流密度为7.8 mA cm?2）更高。我们进一步研究了Cl修饰MXenes上的非金属替代效应，发现三元体系Ti?C?(Cl, O, T′)?（其中T′ = N, S, Se）的表面具有接近热中性的吉布斯自由能变化（ΔGH = -0.05至-0.1 eV），且催化活性顺序为T′ = N > S > Se。通过合成N和S掺杂的Ti?C?(Cl, O, T′)?样品，这些计算预测得到了进一步的实验验证。其中，N掺杂的样品显示出最显著的氢演化性能提升，这与计算结果完全一致。非参数结构-性质-反应性关联分析表明，催化活性位点处的Ti原子键长和局部电荷是设计高效MXenes基电催化剂的关键因素。这些发现强调了表面修饰工程在精确控制MXenes表面化学性质方面的潜力，为开发高效、无需贵金属的可持续氢生产电催化剂开辟了新的途径。