Ti3C2Tx MXene表面多形态Ni纳米棒的可控生长及其对碱性析氢反应的高效催化机制

【编辑推荐】为突破碱性析氢反应（HER）动力学限制，研究人员通过掠射角沉积技术（GLAD）在Ti3C2Tx MXene表面设计直立/单折/倾斜三种Ni纳米棒结构。其中Ti3C2Tx@upright在1 M KOH中表现出131 mV@10 mA/cm2的低过电位和24小时稳定性，其优异性能源于MXene的快速电子传输与Ni纳米棒的高孔隙率协同作用，为过渡金属修饰二维材料催化体系提供新范式。

　　

在全球能源转型背景下，氢能因其能量密度高、零碳排放的特性成为研究焦点。然而，电解水制氢的核心反应——析氢反应（HER）存在动力学缓慢问题，依赖贵金属铂催化剂的高成本制约其规模化应用。如何开发高效、稳定的非贵金属催化剂成为破解这一难题的关键。MXene材料因其独特的二维层状结构和可调表面化学性质崭露头角，其中Ti₃C₂T_x更以优异的导电性和丰富活性位点备受关注。与此同时，过渡金属镍（Ni）基催化剂因其成本优势和多功能性被广泛研究，但传统纳米薄膜结构往往面临活性位点暴露不足的瓶颈。

针对这一挑战，中国某高校团队创新性地将物理气相沉积中的掠射角沉积技术（GLAD）引入催化剂设计，在Ti₃C₂T_x MXene表面构建了直立、单折和倾斜三种形态的Ni纳米棒阵列。相关成果发表于《Applied Surface Science》，通过精确调控纳米棒形貌，实现了碱性HER性能的突破性提升。

研究采用电子束蒸发GLAD技术制备纳米棒阵列，结合X射线衍射（XRD）和X射线光电子能谱（XPS）分析材料结构，通过电化学工作站评估HER性能，并利用密度泛函理论（DFT）计算电子结构变化。

XRD、Raman和XPS表征
XRD谱图显示经蚀刻处理后Ti₃AlC₂前驱体的特征峰消失，证实成功制备单层Ti₃C₂T_x。XPS分析表明Ni纳米棒与MXene间存在强电子相互作用，Ni 2p轨道结合能位移验证了界面电荷重分布。

结论
Ti₃C₂T_x@upright样品在10 mA/cm²电流密度下仅需131 mV过电位，性能优于单折和倾斜结构。DFT计算揭示Ni的引入使Ti₃C₂T_x的D带中心向最优位置移动，促进质子吸附/脱附动力学。直立纳米棒的高孔隙率提供了更多三相反应界面，而MXene的层状结构确保了快速电子传输。

这项研究的意义在于：① 开创了GLAD技术制备多形貌纳米棒/MXene复合催化剂的先例；② 阐明了形貌-活性关系，确立直立结构为最优设计；③ 为过渡金属修饰二维材料催化体系提供了普适性策略。该工作不仅推动了非贵金属HER催化剂发展，也为其他电催化反应（如氧还原反应）的材料设计提供了新思路。