综述：可持续的氮氧化物（NOx）减排方法：捕获与利用技术

《Next Energy》：Sustainable approaches to NO x emissions: Capture and utilization technologies

氢能生产中，CoNiS/MXene/PPy催化剂通过两步电沉积法实现，其低过电位（147 mV）和长期稳定性（2000次循环后保持99%活性）显著优于传统催化剂。该材料通过异质结构建形成3D导电框架，MXene提供高比表面积和导电性，PPy增强机械稳定性并促进电荷转移，结晶-无定形界面进一步优化活性位点密度。研究验证了导电聚合物与二维材料协同作用对HER性能的提升机制。

　　氢气的生产在清洁能源领域具有重要意义，而电催化析氢反应（HER）作为一种可持续的制氢方法，正逐渐成为研究热点。然而，目前大多数高效HER催化剂依赖贵金属铂（Pt），这不仅成本高昂，而且资源稀缺，限制了其在大规模应用中的可行性。因此，开发一种具有高活性和良好稳定性的非铂催化剂成为科研工作者关注的重点。本文提出了一种新型的CoNiS/MXene/聚吡咯（PPy）复合催化剂，该催化剂通过一种创新的两步电沉积法合成，实现了对材料形貌和界面特性的精准调控，展现出卓越的HER性能。

CoNiS/MXene/PPy复合催化剂在碱性介质中表现出优异的催化活性，其在10 mA cm?2电流密度下的过电位仅为147 mV，这一数值与当前最先进的非铂HER催化剂相当。更为突出的是，该催化剂在经历2000次循环伏安（CV）测试和12小时连续运行后，仍能保持99%的活性，充分体现了其出色的稳定性。这一性能优势主要源于复合材料中多个关键结构的协同作用。首先，CoNiS中的晶态-非晶态界面为HER提供了丰富的活性位点。其次，MXene/PPy形成的三维连续结构不仅增加了比表面积，还提供了高效的电子转移路径，促进了快速的电荷传输和物质扩散。此外，CoNiS与MXene/PPy之间的界面耦合增强了电荷转移效率，有效防止了CoNiS纳米片在电催化过程中的团聚和结构劣化，从而显著提升了催化剂的稳定性。

CoNiS、PPy和MXene的协同效应优化了催化剂的电子结构，进一步提升了催化反应的速率。这种优化不仅体现在材料的物理结构上，还体现在其化学组成和表面特性上。例如，CoNiS的晶态与非晶态结构相结合，可以有效改善电荷转移过程，促进反应物的吸附和转化。而PPy作为一种导电聚合物，其高比表面积和连续导电路径有助于提升催化剂的整体导电性，减少电阻，提高反应效率。MXene的层状结构则有助于实现材料的均匀分布和良好的接触，从而增强催化反应的稳定性。

在材料合成方面，本文采用了一种简便的两步电沉积方法。第一步，通过恒电流电沉积技术，在碳纸上形成了MXene/PPy复合薄膜。第二步，进一步在该复合材料上沉积CoNiS纳米片。这一过程不仅避免了MXene在高温度水热条件下容易氧化的问题，还确保了CoNiS纳米片的均匀分布和良好的界面接触。合成过程中，MXene与PPy之间的相互作用起到了关键作用，它们的协同效应不仅提高了材料的导电性，还增强了其结构的稳定性。通过这种合成方法，最终获得的CoNiS/MXene/PPy催化剂具有5 μm的厚度，结构松散但均匀，为电催化反应提供了良好的反应界面。

为了进一步验证材料的结构和性能，研究人员通过扫描电子显微镜（SEM）和透射电子显微镜（TEM）对催化剂进行了详细表征。SEM图像显示，CoNiS纳米片均匀分布在MXene/PPy复合材料的表面，形成了一个交织的网络结构。这种结构不仅增加了活性位点的数量，还促进了离子的传输和反应物的扩散。TEM图像则揭示了CoNiS/MXene/PPy复合材料中晶态与非晶态结构的共存，以及它们之间的界面特性。这些界面不仅提供了更多的反应位点，还通过优化电荷转移路径提升了催化剂的反应效率。

通过能谱分析（EDS）和X射线光电子能谱（XPS）进一步验证了材料的化学组成和表面特性。EDS图像显示，Co、Ni、S、C和Ti等元素在催化剂中均匀分布，表明其结构具有良好的一致性。XPS分析则揭示了材料表面的化学状态，其中Co、Ni和S的结合能峰显示出丰富的电子态分布，表明CoNiS在复合材料中具有良好的电子传导能力。此外，MXene表面的氟基团在电沉积过程中被氧化，转化为氧基团，进一步增强了材料的稳定性。

在HER性能测试中，研究人员采用了线性扫描伏安法（LSV）和循环伏安法（CV）对催化剂进行了系统评估。结果表明，CoNiS/MXene/PPy复合催化剂在10 mA cm?2电流密度下的过电位仅为147 mV，显著低于单独的CoNiS（225 mV）和CoNiS/MXene（191 mV）。同时，该催化剂的塔菲尔斜率仅为84 mV dec?1，表明其具有较高的反应动力学效率。这一结果与HER反应的Volmer-Heyrovsky机制相符，说明电荷转移过程更为高效。

为了进一步评估催化剂的稳定性，研究人员进行了2000次CV循环测试和12小时连续运行测试。测试结果表明，CoNiS/MXene/PPy复合催化剂在经历这些测试后仍能保持其初始活性，而单独的CoNiS则出现了明显的活性下降。这一现象可能与CoNiS在碱性环境中的部分溶解有关，而MXene/PPy复合材料则有效防止了这种溶解，保持了催化剂的结构完整性。此外，通过电化学阻抗谱（EIS）测试，研究人员发现CoNiS/MXene/PPy复合材料的电荷转移电阻显著低于其他材料，进一步验证了其优异的导电性和电荷传输效率。

除了HER性能的提升，该复合材料还表现出良好的稳定性。在长时间运行后，催化剂的表面没有出现明显的结构劣化，且其活性位点依然保持完整。这一稳定性来源于MXene/PPy对CoNiS纳米片的稳定支撑作用，以及PPy对MXene表面的机械锚定。此外，催化剂的亲水性也有助于气泡的脱附，从而避免了活性位点的堵塞，提高了电解液的渗透效率。

该研究不仅为开发高效、稳定的非铂HER催化剂提供了新的思路，也为未来大规模制氢技术的发展奠定了基础。通过界面工程和结构优化，CoNiS/MXene/PPy复合材料实现了优异的电催化性能，同时具备良好的机械强度和导电性，为实际应用提供了可行性。此外，这种两步电沉积方法具有良好的可扩展性，能够为其他类型的电催化剂设计提供借鉴。未来，进一步优化催化剂的结构和组成，可能会在提升HER性能和稳定性方面取得更大的突破，从而推动清洁能源技术的快速发展。