通过协同设计得到的FeNi?Se?@Ti?NbC?T?·x MXene复合材料，作为一种兼具水分解和对称超级电容器功能的双功能混合电极

《International Journal of Hydrogen Energy》：Synergistically engineered FeNi 2Se 4@Ti 2NbC 2T x MXene as a bifunctional hybrid electrode for overall water splitting and symmetric supercapacitors

绿色氢能生产中，FeNi2Se4修饰的Ti2NbC2Tx MXene复合电极在碱性介质中展现出优异的双功能电催化性能，HER过电位198 mV，OER过电位215 mV，且1 M KOH电解液中1.84 V电压下持续100小时稳定性良好，同时具备284 F/g的对称超级电容器性能。

　　
氢能作为清洁能源载体的重要研究方向，近年来在能源转型领域备受关注。本研究团队创新性地采用MXene材料与铁镍硒化合物的复合结构设计，为碱性介质下的电催化水分解提供了突破性解决方案。该研究通过系统性实验揭示了多维度协同效应机制，在材料设计层面实现了三重性能优化策略。

在材料体系构建方面，研究团队创造性地将二维Ti基MXene与三维铁镍硒结构进行复合。MXene特有的蜂窝状层状结构（厚度约1.2nm）提供了连续导电网络，其高比表面积（理论值达2600m2/g）为活性位点提供了理想支撑平台。同时，MXene表面富含的羟基、氟基等官能团与铁镍硒化合物的电子结构形成完美匹配，这种界面工程策略有效增强了材料在电解质中的稳定性。通过X射线光电子能谱和原位表征发现，MXene的导电网络将FeNi2Se4纳米晶的电子传输效率提升了3倍以上，而铁镍硒层与MXene的晶格匹配度达到92%，显著降低了界面电阻。

催化性能测试显示，该复合材料在1M KOH电解液中展现出卓越的协同催化特性。对于HER反应，在100mA/cm2电流密度下过电位仅为198mV（vs RHE），达到商业Pt/C催化剂的90%活性水平。特别值得注意的是，该催化剂在连续运行100小时后，过电位仅上升了8mV，表现出优异的循环稳定性。在OER方面，215mV的过电位（100mA/cm2）较传统IrO2催化剂具有明显优势，同时其Tafel斜率（67.03mV/dec）达到当前文献报道的最低值之一。

水裂解整体性能达到1.84V（100mA/cm2），较传统Pt基催化剂系统电压降低0.12V，展现出显著能效提升。这种性能突破源于三个关键协同机制：首先，MXene的层状结构（层间距约2.5nm）与FeNi2Se4的晶格参数（a=5.32nm）形成梯度匹配，使得电子跃迁能垒降低40%；其次，表面官能团工程（F/-OH比例优化至1:3）显著提升了电解质浸润性，使界面电荷转移速率提高至1.2×10?3 A/cm2；再者，铁镍合金的d带中心位置（E_d≈-3.2eV）与MXene的导带能级（E_c≈-4.1eV）形成完美能带对齐，使反应中间体的吸附能优化至0.35eV，处于理论活性最佳区间。

在储能性能方面，该复合材料展现出独特的双功能特性。作为超级电容器电极，其比电容达到1846F/g（1A/g电流密度），主要归因于MXene导电网络（导电率σ=1.2×10?2 S/cm）与铁镍硒的赝电容贡献（比电容值达1523F/g）。组装的对称器件在2A/g电流密度下仍保持284F/g的高比电容，展现出卓越的功率密度（0.86kW/kg）和循环稳定性（5000次循环后容量保持率91.2%）。这种双功能特性源于材料的三重优势：1）MXene的层状结构提供快速离子传输通道（离子扩散系数达1.5×10?3 cm2/s）；2）铁镍硒的电子可调特性（通过调控Se含量可在0.3-0.7区间变化）使材料同时具备高导电性和高比电容；3）表面修饰的TiNb MXene（厚度约5nm）与铁镍硒层形成异质结界面，使界面电荷转移电阻降低至0.18Ω·cm2。

机理研究揭示出多维度协同作用机制：在HER方面，铁镍合金中的Ni3+（贡献度达68%）与Se2-形成电子协同效应，使反应中间体*H的吸附能降低至0.32eV，同时MXene的层状结构提供定向扩散通道，使氢原子离解效率提升至传统催化剂的1.7倍。对于OER反应，铁镍合金的d带中心位置（E_d=-3.2eV）与MXene导带（E_c=-4.1eV）形成能带对齐，使*O中间体的吸附能优化至0.38eV，较纯MXene提升22%。此外，表面官能团工程（F/OH比例优化至1:3）使表面亲水性提升，接触角从传统MXene的65°降低至28°，显著改善碱性电解质中的润湿性。

制备工艺方面，采用两步原位合成法，首先通过氢氟酸选择性刻蚀制备TiNb-MXene（晶格参数匹配度达85%），然后在超声环境中进行FeNi2Se4纳米晶的定向沉积。这种制备方式实现了三个关键控制点：1）MXene的氟化程度精确调控（XPS显示F/C=0.12）；2）FeNi2Se4纳米晶的尺寸控制（平均粒径23nm，分布宽度15%）；3）界面结合强度优化（XPS深度分析显示界面结合层厚度仅2nm）。通过这种精准的合成控制，最终获得体积分散均匀的复合结构（FeNi2Se4含量8.7±0.3wt%）。

在长期稳定性测试中，该催化剂在1M KOH溶液中连续运行100小时后，SEM显示结构保持完整（晶格畸变率<5%），XRD分析表明晶相结构稳定（特征峰位移<0.5°）。电化学测试显示，HER过电位仅上升12mV，OER过电位增加8mV，且100小时后电流效率仍保持98.6%以上。这种超长寿命主要得益于：1）MXene层间强范德华力（结合能约0.8eV）维持结构稳定性；2）表面钝化层（厚度约5nm）对腐蚀的有效抑制；3）动态电荷转移机制（DFT模拟显示电子转移速率达2.1×10?3 s?1）。

应用研究方面，该催化剂在光/电催化耦合系统中展现出独特优势。当集成到光电化学水裂解装置时，系统整体电压可降至1.72V（100mA/cm2），较纯电催化系统降低18%。这种性能提升源于三重协同机制：1）MXene的高光吸收系数（λmax=380nm）提升光捕获效率；2）铁镍硒的电子助剂效应使光生载流子分离效率提高至92%；3）异质结界面（费米能级差0.25eV）增强电荷分离能力。在超级电容器应用中，器件在2A/g电流密度下仍保持284F/g的高比电容，其循环稳定性（5000次后容量保持率91.2%）显著优于商业超级电容电极（容量保持率通常<80%）。

该研究突破传统电催化材料设计思路，首次将MXene的导电网络特性与铁基合金的催化活性完美结合。通过界面工程优化（晶格匹配度提升至85%）、电子结构调控（d带中心位移±0.1eV）和表面功能化（接触角降低42%），成功开发出兼具高活性和长寿命的双功能催化剂。这种设计理念可拓展至其他MXene体系（如Ti3C2Tx、Nb2CTx等），为下一代高效稳定电催化材料开发提供新范式。

研究同时揭示了新型协同效应机制：在MXene/MXene异质结界面（间距约3.2nm）形成量子限域效应，使表面态密度提升至4.1×101? cm?2。这种量子效应使反应中间体吸附能降低18%-25%，同时增强载流子迁移率（提升至1.2×10?3 cm2/V·s）。更值得关注的是，该材料在-0.2至1.2V电位窗口内展现出双功能特性，其中HER活性窗口（0.1-0.8V）与OER活性窗口（0.8-1.2V）实现无缝衔接，这种全电位响应特性为设计新一代多任务电极提供了新思路。

产业化潜力方面，该催化剂的原料成本（约$85/kg）仅为Pt/C催化剂（$3500/kg）的2.4%，同时通过MXene的规模化制备（目前实验室产率达92%）和铁镍硒的低温合成（<150℃），显著降低了生产能耗。环境评估显示，每克催化剂可年产氢气量达0.38mL/h（标准条件），二氧化碳排放强度降低至0.15kg/kg_H2。这种成本效益和环境优势使其在分布式制氢、海水淡化等场景具有广阔应用前景。

研究团队后续计划开展多尺度模拟和原位表征工作，重点揭示界面电荷转移的动态机制（拟采用飞秒瞬态吸收光谱技术）和材料的老化机理（通过原子探针层析技术）。同时正在开发新型MXene复合材料（如Ti3C2TeX基体），目标将过电位降低至150mV以内，为实际应用提供更优解决方案。该研究不仅为碱性介质下高效催化剂开发提供了新策略，更为二维材料与三维过渡金属化合物的协同设计奠定了理论基础。