水热法合成V-MXene/铁酞菁界面协同提升析氧反应性能研究

针对传统MXene制备依赖剧毒HF酸及OER催化剂成本高的问题，研究人员通过水热法开发了无HF的V2C MXene合成技术，并与铁酞菁(FePc)构建异质结构。该复合催化剂在1 M KOH中表现出366 mV@50 mA cm?2的低过电位和5.36 mV dec?1的塔菲尔斜率，稳定性超过50小时，为可再生能源技术提供了高效安全的电催化剂设计新策略。

　　

（论文解读）

在追求碳中和的能源革命中，电解水制氢技术因其零碳排放特性备受关注。然而，制约该技术发展的关键瓶颈在于阳极析氧反应(OER)——这个涉及四电子转移的复杂过程需要克服极高的动力学能垒。目前，贵金属基催化剂如RuO₂虽性能优异，但其稀缺性和高昂成本阻碍了大规模应用。更棘手的是，作为新兴二维材料的MXene在传统制备中必须使用剧毒的氢氟酸(HF)，不仅危害操作安全，还会在材料表面引入缺陷。如何开发安全、高效、稳定的非贵金属OER催化剂，成为当前能源材料领域的重大挑战。

针对这一系列问题，Anum Iqbal团队在《Journal of Electroanalytical Chemistry》发表的研究给出了创新解决方案。他们采用水热法开发了无HF的V₂C MXene合成工艺，并通过与铁酞菁(FePc)分子耦合，构建了具有电子协同效应的异质结构催化剂。这项研究不仅解决了MXene制备的安全性问题，更通过界面工程显著提升了OER性能。

研究团队运用了多项关键技术：通过水热反应釜在90°C下以NaF/HCl混合溶液蚀刻V₂AlC前驱体；采用冷冻干燥技术保持MXene层状结构；利用X射线光电子能谱(XPS)分析Fe 2p和V 2p的电子态变化；通过电化学阻抗谱(EIS)和循环伏安法(CV)评估电荷转移特性；采用三电极体系在1 M KOH中测试OER性能。

结构分析显示，水热法合成的HT MXene呈现"手风琴状"结构，与HF法制备的3D皱褶结构显著不同。XRD谱图中，FePc:HT MX复合物在7.06°(100)等晶面出现尖锐衍射峰，表明MXene片层引导FePc分子定向生长形成高结晶度β相。Raman光谱中595-680 cm^?1处的A_1g振动模式增强，证实了FePc与MXene的强相互作用。

形貌表征发现，原始FePc呈随机排列的棒状结构，而复合后FESEM图像显示FePc棒被MXene片层完全包裹。这种独特的"棒-片纠缠"结构既防止了活性位点团聚，又建立了三维导电网络。EDX图谱证实材料中含有V、Fe、N等关键元素，且Al含量显著降低，验证了MAX相的成功蚀刻。

电化学性能测试结果令人振奋：FePc:HT MX在10 mA cm^?2电流密度下的过电位仅320 mV，远优于纯FePc(350 mV)和商用RuO₂(397 mV)。更值得注意的是，其塔菲尔斜率低至5.36 mV dec^?1，表明反应动力学得到显著改善。EIS测试显示复合材料的电荷转移电阻(R_ct)仅为1.91 Ω，是RuO₂的1/8。在53小时持续电解后，电流密度保持率达99.6%，而RuO₂组已衰减至68.7%。

机制分析指出，MXene的终端官能团(=O、-F等)与FePc的Fe-N₄中心产生电子耦合，使Fe 2p_3/2结合能发生正向偏移。这种电子重构降低了水分子解离能垒，同时MXene的高导电性加速了电荷传输。XPS结果还显示V⁴⁺的存在，其可变价态进一步促进了氧化还原反应的进行。

这项研究的意义在于：首创的无HF水热合成法为MXene的安全生产提供了新范式；FePc与MXene的界面协同效应为设计高效OER催化剂提供了新思路；材料在工业级电流密度(50 mA cm^?2)下仍保持优异性能，具有实际应用潜力。研究者特别强调，该方法可推广至其他过渡金属酞菁与MXene的组合，为可再生能源转换器件开发开辟了新途径。正如作者在结论中指出，这种"绿色合成-界面工程-性能优化"的研究模式，对推动电催化领域的可持续发展具有示范意义。