科学网—西北工业大学王俊杰/巩玉同等：突破传统-F终端限制的MXene析氢催化界面调控策略-清华大学出版社学术期刊的博文
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2026-6-1 10:37
| 个人分类: JAC | 系统分类: 论文交流
原文出自 Journal of Advanced Ceramics ( 先进陶瓷 ) 期刊
Cite this article:
Gong Y, Yang R, Zhang H, et al. O-termination-induced electronic modulation in MXene-based heterostructures toward sustainable hydrogen evolution. Journal of Advanced Ceramics , 2026, https://doi.org/10.26599/JAC.2026.9221323
文章 DOI ： 10.26599/JAC.2026.9221323
ResearchGate ： O-termination-induced electronic modulation in MXene-based heterostructures toward sustainable hydrogen evolution
基金支持：
本工作得到国家自然科学基金（ 22272128 、 52272307 、 51761135032 ）、深圳市科技计划项目（ JCYJ20230807145501003 ）、国家重点研发计划（ 2022YFE0109200 、 2022YFA1502900 ）、重庆市自然科学基金（ CSTB2022NSCQ-MSX1511 ）以及西北工业大学凝固技术国家重点实验室开放基金（ 2023-TS-08 ）等项目的资助。
一、 导读
开发高效、低成本的电解水析氢（ HER ）催化剂，是推动可再生能源利用与绿氢规模化落地的核心技术，也是破解全球能源危机、落实 “ 双碳 ” 战略的重要突破口。 MXenes 材料兼具优异的导电性能、大比表面积与灵活的结构可调控性，是构筑高性能 HER 催化剂的理想候选材料。对 MXenes 进行定向结构调控，并深入解析其结构与催化性能的构效关系，是实现催化性能跨越式提升的前提。本研究创新性提出正丁基锂诱导的表面端基调控策略，实现了 Ti 3 C 2 T x 表面氟端基（ -F ）向氧端基（ -O ）的可控转化。通过制备 Pt/Ti 3 C 2 T x 、 MoS 2 /Ti 3 C 2 T x 两类异质结构催化剂，进一步阐明了作用机制： -F 会抑制 MXenes 基催化剂的析氢活性， -O 可显著提升其催化性能。该工作为 MXenes 基材料的界面改性以及高性能绿色制氢催化剂的设计开发，提供了坚实的理论依据与可行的技术方案。
二、 研究背景
随着化石能源消耗加剧与环境污染问题日益严重，氢能因其高能量密度与零碳排放特性，被认为是未来最具潜力的清洁能源载体之一。其中，电解水析氢（ HER ）由于能够实现高纯度绿色制氢，成为当前能源催化领域的研究热点。然而， HER 过程受限于缓慢的界面电荷转移与氢吸附 / 脱附动力学，需要高性能电催化剂降低反应过电位。因此，开发兼具高活性、低成本和高稳定性的替代催化体系具有重要意义。
MXenes 作为一类新兴二维过渡金属碳 / 氮化物材料，因其优异导电性、高比表面积及丰富表面官能团，在电催化领域展现出巨大潜力。特别是 Ti 3 C 2 T x MXenes ，其表面天然存在 -F 、 -OH 及 -O 等终端基团，可作为异质结构催化剂的重要电子调控平台。现有研究发现，传统基于 HF 基刻蚀剂制备的 MXenes 通常富含 -F 终端，而 -F 基团会削弱电子传输能力并限制催化活性。而 –F 与 –O 终端对 MXenes 基催化剂的影响规律和机制尚需深入研究，同时研发表面官能团的定向调控策略是性能调控的基础。
因此，本工作通过正丁基锂表面调控策略，实现 Ti 3 C 2 T x MXene 表面 -F 向 -O 终端的可控转化，并进一步研究其分别对 Pt 基和 MoS 2 基异质结构催化剂 HER 性能及界面电子结构的影响，为 MXene 基电催化材料的表面工程设计提供理论与实验依据。
三、文章亮点
（ 1 ）提出 MXene 表面终端精准调控策略，采用正丁基锂处理方法，实现 Ti 3 C 2 T x 表面 -F 终端向 -O 终端的定向转化，并成功构建不同 -O/-F 比例的 MXene 模型，实现表面化学的精准调控。
（ 2 ）实现 HER 性能显著提升，随着 -O 终端比例由 42% 提升至 86% ， Pt/ Ti 3 C 2 T x 过电位由 179 mV 降低至 121 mV ； MoS 2 / Ti 3 C 2 T x 过电位由 209 mV 降低至 166 mV ；电荷转移电阻显著降低。说明 -O 终端能够有效促进 HER 界面电子传输与反应动力学。
（ 3 ）揭示不同催化体系中的双向电子调控机制，结合 XPS 、原位 ATR-FTIR 及 DFT 计算发现，富 O 使 Pt 位点缺电子以增强 H 吸附，使 Mo 位点富电子以弱化过强 H 结合，从电子层面阐明性能提升根源。
四、研究结果及结论
如图 1 所示，本研究首先采用 LiF/HCl 刻蚀 Ti 3 AlC 2 MAX 相制备 Ti 3 C 2 T x MXenes ，并通过超声剥离得到少层纳米片结构。随后利用正丁基锂对 MXenes. 进行 3 、 6 及 9 天处理，实现表面 -F 终端逐步向 -O 终端转化。在此基础上，分别采用 NaBH 4 还原法与水热法，制备 Pt/Ti 3 C 2 T x 与 MoS 2 /Ti 3 C 2 T x 异质结构电催化剂。 TEM 与 HRTEM 显示，富 O 载体上 Pt 纳米颗粒尺寸更小、分散更均匀； MoS 2 纳米片均匀生长于 Ti 3 C 2 T x MXenes 表面，形成强耦合异质界面（图 2-5 ）。
图 1 Pt/Ti 3 C 2 T x 和 MoS 2 /Ti 3 C 2 T x 异质结构催化剂的合成过程示意图
图 2 （ a ） Ti 3 AlC 2 、 Ti 3 C 2 T x 、 Ti 3 C 2 T x 纳米片的 XRD 图谱；（ b ） Ti 3 AlC 2 、（ c ）刻蚀后的 Ti 3 AlC 2 和（ d ） Ti 3 C 2 T x 纳米片的 SEM 图像；（ e ）表面修饰 Ti 3 C 2 T x 的 XRD 图谱 ; （ f ） Ti 3 C 2 T x -3 、（ g ） Ti 3 C 2 T x -6 和（ h ） Ti 3 C 2 T x -9 的 SEM 图像
图 3 （ a ） Ti 3 C 2 T x 、 Ti 3 C 2 T x -3 、 Ti 3 C 2 T x -6 和 Ti 3 C 2 T x -9 的 XPS 总谱；（ b ） Ti 2 p 的 XPS 谱图；（ c ） O 1 s 的 XPS 谱图；（ d ）通过 XPS 测量的样品中 -F/-O 官能团分布
图 4 （ a ） Pt/Ti 3 C 2 T x 、 Pt/Ti 3 C 2 T x -3 、 Pt/Ti 3 C 2 T x -6 和 Pt/Ti 3 C 2 T x -9 的 XRD 图 ; （ b ） Pt/Ti 3 C 2 T x 和（ c ） Pt/Ti 3 C 2 T x -9 的 SEM 图像 ; （ d ） Pt/Ti 3 C 2 T x -9 的 EDS 能谱，比例尺为 5μm; （ e ） Pt/Ti 3 C 2 T x -9 的 TEM 图像和（ f ） Pt/Ti 3 C 2 T x -9 的 HRTEM 图像
图 5 （ a ） MoS 2 /Ti 3 C 2 T x 、 MoS 2 /Ti 3 C 2 T x -3 、 MoS 2 /Ti 3 C 2 T x -6 和 MoS 2 /Ti 3 C 2 T x -9 的 XRD 图 ; （ b ） MoS 2 /Ti 3 C 2 T x 和（ c ） MoS 2 /Ti 3 C 2 T x -9 的 SEM 图像 ; （ d ） MoS 2 /Ti 3 C 2 T x -9 的 EDS 能谱，比例尺为 10μm; （ e ） MoS 2 /Ti 3 C 2 T x -9 的 TEM 图像和（ f ） MoS 2 /Ti 3 C 2 T x -9 的 HRTEM 图像
电化学测试结果表明（图 6 ），随 MXenes 表面 -O 终端含量增加， Pt/Ti 3 C 2 T x 与 MoS 2 /Ti 3 C 2 T x 均表现出明显增强的 HER 活性。其中， Pt/Ti 3 C 2 T x -9 过电位降低至 121 mV ； Tafel 斜率降低至 130 mV dec −1 ；电荷转移电阻降至 53 Ω ； TOF 达到 0.56 s −1 。 MoS 2 /Ti 3 C 2 T x -9 同样表现出优异的 HER 性能，其过电位下降至 166 mV ， Tafel 斜率降低至 104 mV dec −1 。结果表明， -O 终端能够有效促进界面电子传输并优化 Volmer-Heyrovsky 反应动力学。
图 6 Pt/Ti 3 C 2 T x 、 Pt/Ti 3 C 2 T x -3 、 Pt/Ti 3 C 2 T x -6 和 Pt/Ti 3 C 2 T x -9 的 HER 性能数据：（ a ） LSV 曲线，（ b ） Tafel 斜率，（ c ） EIS 奈奎斯特图； MoS 2 /Ti 3 C 2 T x 、 MoS 2 /Ti 3 C 2 T x -3 、 MoS 2 /Ti 3 C 2 T x -6 和 MoS 2 /Ti 3 C 2 T x -9 的 HER 性能数据：（ d ） LSV 曲线，（ e ） Tafel 斜率，（ f ） EIS 奈奎斯特图
XPS 分析显示 -O 终端增加后， Pt 体系中 Pt 2+ 比例增加，说明 Pt 向 MXenes 失电子； Mo 2 S 体系中 Mo-O 比例增加，说明界面电子耦合增强。原位 ATR-FTIR 进一步证明， Pt/Ti 3 C 2 T x -9 表现出更强水分子吸附与更早出现的 Pt-H 信号，说明 -O 终端有利于水解离及氢中间体形成。 DFT 计算表明， Pt/Ti 3 C 2 -90OF 中 ΔG H* 由 0.43 eV 下降至 0.25 eV ； MoS 2 /Ti 3 C 2 -90OF 中电子重新分布促进 Mo 位点电子富集。最终实现氢吸附自由能优化与 HER 动力学提升。
图 7 （ a ） Pt/Ti 3 C 2 T x 和 Pt/Ti 3 C 2 T x -9 的 XPS 总谱（ b ） Pt 4 f 和（ c ） O 1 s 的 XPS 谱图；（ d ） MoS 2 /Ti 3 C 2 T x 和 MoS 2 /Ti 3 C 2 T x -9 的 XPS 总谱（ e ） Mo 3 d 和（ f ） O 1 s 的 XPS 谱图
图 8 （ a ） Pt/Ti 3 C 2 T x 和（ b ） Pt/Ti 3 C 2 T x -9 的原位 DRIFTS 谱图
图 9 （ a ） Pt/Ti 3 C 2 T x 氢脱附的自由能变化（ b ） Pt/Ti 3 C 2 -90OF 的电荷密度差（ c ） Pt/Ti 3 C 2 -90OF 异质结界面层上元素的平均 Bader 电荷布居（单位为 e − / 原子）；（ d ） Mo 2 S/Ti 3 C 2 T x 氢脱附的自由能变化（ e ） MoS 2 /Ti 3 C 2 -90OF 的电荷密度差（ f ） MoS 2 /Ti 3 C 2 -90OF 异质结界面层上元素的平均 Bader 电荷布居（单位为 e⁻/ 原子）
本研究成功构建了一种基于 MXenes 表面终端调控的高效 HER 异质结构催化体系。通过正丁基锂实现 Ti 3 C 2 T x 表面 -F 向 -O 终端的可控转化，显著提升了 Pt/Ti 3 C 2 T x 与 MoS 2 /Ti 3 C 2 T x 的析氢性能与稳定性。研究揭示了 -O 终端在不同催化体系中的差异化电子调控机制：对 Pt 体系增强 H* 吸附；对 MoS 2 体系削弱过强 H* 结合。该工作不仅深化了 MXene 表面化学与界面电子结构之间的构效关系理解，也为高性能绿色制氢电催化剂设计提供了新的理论指导与工程化思路。
五、作者及研究团队简介
巩玉同（第一作者） ，理学博士，西北工业大学副教授，西安市能源催化材料智能设计重点实验室副主任。主要研究方向为多相催化、材料基因工程。目前在多相催化选择性加氢反应、合成氨、电子化合物材料开发、二维材料研发等领域取得一系列创新成果，主持多项国家级及省部级基金。在如 Nature Catalysis ， Journal of the American Chemical Society ， Chemistry of Materials ， Nature Communications ， Journal of Catalysis 等 SCI 期刊发表学术论文 60 余篇，总引用 6500 余次，相关成果获得 Chemistry World 、日本经济新闻等多家媒体报道。获授权国家及国际专利共 12 项，省部级奖励 3 项。担任 Nanomaterials 期刊、 Crystals 期刊、 Energies 等期刊客座编辑。
研究方向：
1. 能源转化材料的设计合成及应用研究
2. 富电子催化材料的研发及催化应用研究
3. 惰性键（ N 2 、 CO 2 等）活化转化，精细化工中间体选择性催化
个人主页： https://teacher.nwpu.edu.cn/gongyutong.html
作者邮箱： gongyutong@nwpu.edu.cn
作者 ORCID ： https://orcid.org/0000-0003-4676-9547
王俊杰（通讯作者） ，西北工业大学材料学院教授，博士生导师，西安市能源催化材料智能设计重点实验室主任，兼任 Materials and Solidification 期刊执行主编、 Journal of Advanced Ceramics （影响因子： 16.9 ；中国科学院一区）编委等。入选国家级青年人才计划，主要从事材料基因工程理论发展和应用领域研究，特别在发展新型催化、光电材料方面取得一系列创新研究成果。曾主持日本学术振兴会海外研究员项目，并作为骨干成员参与法国国家科研署（ ANR ）和日本科学技术振兴机构（ JST ）的重点研究项目。现主持国家级青年人才项目、科技部重点研发计划（ 2 项）、国家自然科学基金面上项目（ 3 项）等项目 10 余项。已在 Nature Catalysis, Nature Communications, Journal of the American Chemical Society, Advanced Materials, Advanced Energy Materials, Chemistry of Materials 等国际知名期刊发表 SCI 论文 100 余篇，研究成果被德国、英国和日本学术界及媒体广泛报道。第一完成人获 2024 年陕西省自然科学二等奖和陕西省高等学校科学技术研究优秀成果一等奖。
研究方向： 通过人工智能、机器学习等方法与材料科学结合，开展新型催化材料（合成氨、 CO 2 还原、水分解等）、能源材料（电池、氢能等）和光电材料（自旋电子器件、磁性材料等）的设计、制备和应用研究。
个人主页： https://teacher.nwpu.edu.cn/wang
作者邮箱： wang.junjie@nwpu.edu.cn
作者 ORCID ： https://orcid.org/0000-0002-6428-2233
作者及研究团队在 Journal of Advanced Ceramics 上发表的相关代表作：
1) Liang L, Yang Y, Gong Y, et al. Machine learning-guided discovery of stable low-work-function perovskite oxides for advanced catalysis and energy technologies. Journal of Advanced Ceramics , 2025, 14(10): 9221159. https://doi.org/10.26599/JAC.2025.9221159
3) GONG Y, LI H, LI C, et al. Insight into rare-earth-incorporated catalysts: The chance for a more efficient ammonia synthesis. Journal of Advanced Ceramics , 2022, 11(10): 1499-1529. https://doi.org/10.1007/s40145-022-0633-z
3) LI K, WANG J, BLATOV VA, et al. Crystal and electronic structure engineering oftin monoxide by external pressure. Journal of Advanced Ceramics , 2021, 10(3): 565-577. https://doi.org/10.1007/s40145-021-0458-1
《先进陶瓷（英文）》（ Journal of Advanced Ceramics ） 期刊简介
《先进陶瓷（英文）》于 2012 年创刊， 清华大学 主办， 清华大学出版社 出版， 清华大学新型陶瓷材料全国重点实验室 提供学术支持，创刊主编为中国工程院院士、清华大学李龙土教授，主编为中国科学院院士、清华大学林元华教授、苏州国家实验室周延春教授、广东工业大学林华泰教授和哈尔滨工业大学张幸红教授。该刊主要发表先进陶瓷领域的高质量原创性研究和综述类学术论文，涉及先进陶瓷的制备、结构表征、性能评价的各个细节，尤其侧重新材料研制和先进陶瓷基础科学研究等重要方面，致力于在世界先进陶瓷领域搭建学术交流平台，引领和促进先进陶瓷学科的发展。已被 SCIE 、 Ei Compendex 、 Scopus 、 DOAJ 、 CSCD 等数据库收录。现为月刊， 2025 年发文量为 202 篇； 2025 年 6 月发布的影响因子为 16.6 ，连续 5 年位列 Web of Science 核心合集 “ 材料科学，陶瓷 ” 学科 34 种同类期刊第 1 名； 2024 年 11 月入选 “ 中国科技期刊卓越行动计划二期 ” 英文领军期刊项目； 2025 年入选中国科学院文献情报中心期刊分区表材料科学 1 区 Top 期刊。 2023 年起，本刊结束与国际出版商的合作，改由清华大学出版社自主研发、拥有自主知识产权的科技期刊国际化数字出版平台 SciOpen 独家发布，标志着该刊结束多年来 “ 借船出海 ” 的办刊模式，回归本土独立运营，也是我国优质英文期刊中最早回归国产平台的期刊之一。
期刊主页： https://www.sciopen.com/journal/2226-4108
投稿地址： https://mc03.manuscriptcentral.com/jacer
期刊 ResearchGate 主页： https://www.researchgate.net/journal/Journal-of-Advanced-Ceramics-2227-8508
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