熔盐屏蔽合成法制备Cu2CCl2 MXene纳米片作为双功能电催化剂用于高效水分解产氢和产氧

为解决传统MXene合成方法的环境风险及贵金属催化剂成本高、功能单一等问题，研究人员通过熔盐屏蔽合成法（MS3）开发了新型Cu2CCl2 MXene纳米片。该材料在酸性介质中展现出卓越的双功能电催化性能，HER过电位仅48 mV，OER过电位39 mV，为可再生能源技术提供了高效、低成本解决方案。

　　

随着全球温室气体排放持续攀升，开发清洁能源技术成为当务之急。电解水制氢因其零污染特性被视为理想解决方案，但传统贵金属催化剂（如Pt/C、IrO₂）存在成本高、稳定性差等瓶颈。MXenes作为新兴二维材料虽具潜力，但传统氢氟酸蚀刻法存在环境危害，且铜基MXene的合成始终面临挑战。

为解决这些问题，研究人员通过创新性熔盐屏蔽合成法（MS³），首次在开放环境下成功制备Cu₂CCl₂ MXene纳米片。该研究采用Cu₂AlC MAX相为前驱体，以CuCl₂为蚀刻剂，低共熔盐混合物为反应介质，在600°C下实现铝层的选择性去除。通过X射线衍射（XRD）、高分辨透射电镜（HRTEM）和X射线光电子能谱（XPS）等表征手段，证实所得材料具有规整的层状结构和Cl终端基团。

在电化学性能研究中，Cu₂CCl₂ MXene展现出突破性双功能活性：在0.5 M H₂SO₄中，HER过电位仅48 mV（Tafel斜率85 mV dec^-1），OER过电位39 mV（78 mV dec^-1），性能超越多数已报道MXene基催化剂。电化学阻抗谱（EIS）显示其电荷转移电阻（R_ct）低至96 Ω，500秒计时电流测试验证了优异稳定性。

机理分析表明，Cl终端基团通过优化铜位点的电子结构，显著提升质子吸附/解吸效率。对于HER，遵循Volmer-Heyrovsky路径，Cu位点提供理想的氢吸附自由能；OER则通过四步质子耦合电子转移过程实现，Cu²⁺/Cu³⁺氧化还原中心稳定反应中间体。MXene的二维结构确保高比表面积和快速电荷传输，而熔盐合成赋予材料低缺陷密度和抗氧化特性。

这项发表于《Heliyon》的研究具有三重意义：首先，MS³方法突破传统MXene合成的环境限制，为新型二维材料开发提供普适策略；其次，Cu₂CCl₂的双功能活性使单一催化剂实现全水分解成为可能；最后，其接近贵金属的性能但显著降低的成本，为规模化绿氢生产铺平道路。未来研究可聚焦于降低合成温度、优化电极结构，以及探索在阴离子交换膜电解槽中的应用潜力。