Mo2TiC2Tx MXene基异质结构电催化剂在整体水分解和尿素电解中的协同增强机制研究

为解决传统电解水制氢过程中HER（氢析出反应）和OER（氧析出反应）过电位高、催化剂成本昂贵等问题，研究人员通过构建NiCo2O4/FeCo2S4/Mo2TiC2Tx（NFM）异质结构，实现了58.2 mV@10 mA cm?2的超低HER过电位和1.52 V的全水解电压，同时兼具尿素氧化（UOR）多功能催化性能，为清洁能源转换提供了高效低成本解决方案。

　　

在全球能源转型背景下，氢能因其零碳排放特性成为替代化石燃料的理想选择。然而，传统电解水技术受限于贵金属催化剂（如Pt、Ir/Ru）的高成本和缓慢动力学，实际应用面临巨大挑战。更棘手的是，HER和OER反应之间的过电位差导致整体水分解能耗高达1.8-2.0 V，远高于理论值1.23 V。如何开发兼具高活性、稳定性和成本优势的多功能催化剂，成为突破清洁能源技术瓶颈的关键。

印度Karpagam高等教育学院（Karpagam Academy of Higher Education）的研究团队独辟蹊径，将目光投向二维材料MXene与尖晶石结构的协同效应。他们通过水热-硫化两步法构建了NFM三元异质结构，在《Journal of Colloid and Interface Science》发表的研究中，该材料展现出颠覆性的催化性能：不仅HER过电位低至58.2 mV（10 mA cm^?2），全水解电压仅需1.52 V，更突破性地实现了尿素电解1.40 V@100 mA cm^?2的高效转化，为同时解决能源危机和废水处理提供了全新思路。

研究团队采用X射线衍射（XRD）和电子显微镜验证材料结构，通过电化学工作站系统评估催化性能，并借助密度泛函理论（DFT）计算揭示电子转移机制。特别值得注意的是，实验设计中创新性地引入镍泡沫基底，大幅提升电荷传输效率。

【材料表征】XRD图谱显示NFM成功整合了NiCo₂O₄（311）晶面和Mo₂TiC₂T_x的（002）特征峰，透射电镜观察到MXene纳米片与尖晶石颗粒的紧密界面接触，为电子重分布提供直接证据。

【电化学性能】在1 M KOH电解液中，NFM的HER塔菲尔斜率仅41.3 mV dec^?1，优于商业Pt/C催化剂；OER在100 mA cm^?2下的过电位241.5 mV，比RuO₂降低23%。全电池测试中，NFM在100小时持续运行后活性衰减不足5%，展现出工程化应用潜力。

【理论计算】DFT模拟发现MXene界面诱导的电子离域效应，使Ni/Co活性位点的d带中心下移0.28 eV，显著优化了H吸附自由能（ΔG_H=-0.15 eV）。对于UOR过程，Fe-Co-S三原子位点协同降低了NH₂CONH₂的脱氢能垒。

这项研究通过精准的界面工程设计，实现了三大突破：首先，MXene的金属导电性解决了尖晶石材料本征电导率低的缺陷；其次，异质结诱导的电子再分配创造了高活性双功能位点；更重要的是，尿素氧化路径的引入使整体能耗降低18%。该工作不仅为非贵金属催化剂设计提供了新范式，更推动了电解水技术向"废水处理-能源生产"一体化方向发展的进程。研究团队特别指出，NFM材料中Ti-Mo-C键的耐腐蚀特性是长期稳定性的关键，这为工业级电解槽设计提供了重要参考依据。