黄富强/李永生：一步法构建有序硫封端碳化钽MXene用于高效全解水

电解水制氢在清洁能源系统中起着重要作用，但目前报道的非贵金属催化剂仍需与商用Pt/C, RuO₂或其他电催化剂配对才能实现全解水。在同一介质中开发高活性、高稳定性的析氧反应（OER）和析氢反应（HER）双功能催化剂仍然是一个挑战。迄今为止，新兴的2D MXene由于其有趣的表面物理化学特性，在电催化领域得到了广泛的研究。然而其制备过程非常复杂和困难，而且由于其表面无序的封端基团（-OH/-F/-Cl），它们的本征电催化性能仍有待提高。

中科院上海硅酸盐研究所黄富强研究员与华东理工大学李永生教授联合报道了通过一步法制备得到的有序硫封端的MXene（Ta₂CS₂），不仅对传统的MXene制备工艺进行了优化，而且材料显示出优异的导电性和电化学活性，其室温下电导率是传统MXene（Ta₄C₃T_x）的22.48倍。在10 mA cm^-2 的电流密度下，其OER和HER过电位分别为287 mV和105 mV，用作全解水仅需1.51 V的过电势，是一种十分优异的MXene基双功能催化剂。

图1 a) Ta₂CS₂的晶体结构图。b) Ta₂CS₂-E纳米片制备示意图。Ta₂CS₂的c) XRD图谱，d) TEM，和e) 球差TEM图。Ta₂CS₂-E的f) TEM，g) 高分辨率TEM，和h) 球差TEM图。

图2 a) Ta₂CS₂和Ta₄C₃T_x的Ta 4f光谱的高分辨率XPS。b) 分别研究了Ta₂CS₂和Ta₄C₃T_x的电阻率(ρ)和温度(T)之间的关系。c) Ta₂CS₂和Ta₄C₃T_x的霍尔电阻(R_Hall)的磁通量密度(B)依赖性。d-e) 电子能带结构和电子态密度 d)Ta₂CS₂和e)Ta₂CS₂-E。

图3 a)OER和HER的动力学(Tafel斜率)和活性(10 mA cm^-2时的过电位)与最近报道的MXenes基电催化剂的比较。b) 双电极极化曲线。c) 电流密度为10 mA cm^-2 在1.51 V下的Ta₂CS₂-E计时电流测试。d) 在10 mA cm^-2下Ta₂CS₂-E的电池电压与最近报道的MXenes基双功能电催化剂的比较。

团队开发了一种表面工程方法来制备具有丰富活性中心和金属导电性的Ta₂CS₂-E应用于电催化全解水。与传统MXenes制备工艺不同，采用一步法直接制备硫封端的二维过渡金属碳化物，大大简化了制备过程。此外，避免了传统刻蚀法所带来的残留铝和无序的表面端基（-O、-F和-OH），它们在电化学应用中起着负面的作用。Ta₂CS₂在10 mA cm^-2下表现出243 mV的OER和73 mV的HER双功能活性，这优于大多数MXenes基催化剂。采用Ta₂CS₂-E║Ta₂CS₂-E建造的全解水电解槽只需要1.51 V即可达到10 mA cm^-2的电流密度，这有可能取代商用RuO₂║Pt/C（1.64 V@10 mA cm^-2）。此外，Ta₂CS₂-E║Ta₂CS₂-E电解槽在10 mA cm^-2下通过了超过100小时的计时电流测试。该材料是迄今为止最好的MXenes基双功能电催化剂之一，在未来的电化学水裂解装置中具有巨大的应用潜力。

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