简便的熔盐合成双金属 NiFe–Ti3C2Tx MXene 纳米杂化材料作为高效氧析出电催化剂

用更便宜的材料把水变成燃料

氢常被誉为未来的清洁燃料，但高效且经济地制备氢仍是一个重大挑战。本文介绍了一种新型催化剂——在超薄材料 MXene 上负载廉价金属镍和铁——它能加速水分解中产氧这一半反应的速率，从而使实用且低成本的制氢更进一步成为可能。

为什么我们需要更好的助力剂来分解水

为了替代化石燃料，我们可以利用风能和太阳能电站的富余电力将水分解成氢和氧。不过问题是，产生氧气的那半反应——称为氧析出反应——会浪费大量宝贵的电能。目前在该步骤上表现最好的催化剂通常依赖稀有且昂贵的贵金属。作者希望通过将丰富的金属与高导电性的支撑材料结合，解决对稀缺元素的依赖，从而实现高效的水分解。

为活性金属提供的层状平台

工作核心是一类称为 MXene 的二维材料，类似由原子薄的金属碳化物片层堆叠而成。团队没有采用传统且危险的氢氟酸法，而是采用更安全的“熔盐”工艺。他们从一种称为 MAX 相的层状化合物出发，用高温的镍氯化物和铁氯化物混合物蚀去其中一种元素。在一步中，这一过程既将结构剥离成 MXene 片，又在其表面直接沉积一层薄薄的镍铁金属合金，从而形成紧密结合的纳米杂化体。

寻找到金属混合的最佳点

通过调节熔盐中镍与铁的比例，研究者制备了一系列杂化材料并测试了它们在碱性溶液中促成产氧的能力。详细测量表明，镍与铁 1:1 的混合比表现最佳：在达到实用电流密度时仅需额外 310 毫伏的过电位，并且具有较低的塔菲尔斜率，说明随着电压增加反应速率快速上升。电子显微镜和 X 射线技术表明，该最佳材料由超薄的 MXene 片层组成，其边缘被纳米尺度的镍–铁合金层覆盖。电化学测试进一步显示，两种金属都具有电化学活性，但镍起主导作用，而铁则对镍位点的行为进行细微调整。

窥探氧气如何生成

为了解为什么 1:1 合金表现优异，团队将原位红外光谱与计算机模拟相结合。在工作条件下，催化剂表面会重排形成镍–铁氧羟化物物种，并显示出含氧中间体的明显特征。量子力学计算比较了水分子结合生成氧气的两条可能路径。结果发现，以镍位点上的吸附物为主的反应路径（“吸附物演化”路线）所需能垒低于涉及来自基体晶格氧原子的路径。这有助于解释镍相对铁的优越活性以及合金表面总体效率的原因。

这对未来清洁能源装置的意义

简单来说，该研究提出了一种相对安全、可放大的方法，可在导电的超薄支撑体上制备精细调控的镍–铁涂层，并表明这种设计显著改善了水分解中困难的产氧步骤。尽管在长期运行中 MXene 支撑仍会出现一定程度的降解，但这项工作指明了通向稳健且低成本催化剂的方向，有望使利用可再生电力制氢更高效、更实惠。

引用: Kruger, D.D., Recio, F.J., Wlazło, M. et al. Facile molten salt synthesis of bimetallic NiFe-Ti₃C₂T_x MXene nano-hybrid as an efficient oxygen evolution electrocatalyst. npj 2D Mater Appl 10, 24 (2026). https://doi.org/10.1038/s41699-026-00660-x

关键词: 水电解, 氧析出催化剂, MXene 材料, 镍铁合金, 绿色氢能