MXene/CoP异质结构催化剂与载体相互作用机制及其电催化水氧化性能提升研究

本研究针对碱性条件下非贵金属电催化剂活性不足的问题，通过构建MXene(Ti3C2Tx)负载CoP纳米棒的异质结构，实现η=230mV@10mA/cm2的优异OER性能，超越商用IrO2催化剂(η=270mV)，揭示了载体-催化剂界面电子转移对反应动力学的调控机制。

　　

随着全球能源结构转型加速，氢能作为清洁能源载体备受关注。电催化水分解制氢技术中，析氧反应(OER)因其四电子转移过程的缓慢动力学成为制约整体效率的瓶颈。目前商用IrO₂/RuO₂催化剂虽性能优异，但高昂成本和资源稀缺性促使研究者寻求非贵金属替代方案。过渡金属磷化物(如CoP)因其类金属导电性和适中的金属-磷键能成为研究热点，但单独使用时存在活性位点暴露不足、导电性差等问题。与此同时，新型二维材料MXene(Ti₃C₂T_x)凭借4600S/cm的超高电导率和丰富表面官能团(-O/-OH/-F)，为构建高性能杂化催化剂提供了理想平台。

King Saud University的研究团队在《International Journal of Hydrogen Energy》发表研究，通过精确控制MXene剥离厚度和CoP纳米棒垂直取向生长，成功构建了具有分级孔结构的CoP/MXene异质催化剂。采用水热-磷化两步法，先在少层MXene表面垂直生长Co(OH)F前驱体，再通过低温磷化转化为介孔CoP纳米棒。通过AFM、EIS、BET等技术证实，该结构具有2.6cm²/V·s的载流子迁移率和显著提升的电化学活性面积(ECSA)。

结果与讨论部分显示：1）形貌表征证实MXene作为基底实现了CoP纳米棒的垂直定向排列，TEM显示纳米棒表面分布着2-50nm的介孔；2）XPS分析发现MXene与CoP界面存在Ti-O-Co键合，导致Co²⁺/Co³⁺氧化态比例优化；3）电化学测试显示复合材料的Tafel斜率(48mV/dec)显著低于单独CoP(89mV/dec)，EIS证实界面电荷转移电阻降低60%；4）稳定性测试表明，在100h持续电解后性能衰减<5%，MXene有效抑制了CoP的氧化溶解。

该研究创新性地证明：1）少层MXene作为导电基底可诱导活性相定向生长，其表面终端基团(-F/-OH)能调控金属中心电子结构；2）形成的Ti-O-Co界面键合通道加速了电子转移，使CoP本征活性提升3倍；3）分级孔结构使电解质渗透深度增加70%，质量传输限制得到缓解。这些发现为设计MXene基杂化催化剂提供了普适性策略，不仅适用于OER，还可拓展至HER、CO₂还原等电催化体系，对推进阴离子交换膜(AEM)电解槽商业化具有重要指导意义。