文献精读：Nat. Synth. 打破二维 MXene合成困境，新材料助力HER 性能飞跃

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成果掠影 & 研究背景

在全球积极推进清洁能源转型的大背景下，清洁能源技术的发展愈发成为关键议题。氢能，作为一种清洁、高效且可持续的能源载体，被寄予厚望，有望在未来能源格局中占据重要地位。然而，要实现氢能的广泛应用，高效且低成本的电催化剂是其中的核心要素。这不仅关乎制氢过程的能源效率，更直接影响着氢能生产成本，决定着其能否在大规模能源市场中具备竞争力。

二维过渡金属碳 / 氮化物（MXenes），凭借其独特的高导电性和可调控的表面特性，在电催化领域展现出巨大的潜力，成为研究人员关注的焦点。这类材料的特殊结构使其在多种电化学反应中表现出优异的性能，被视为极具前景的电催化材料。钨基MXene的合成因前驱体稳定性差而长期受阻。近日，普渡大学团队题为“Synthesis of a 2D tungsten MXene for electrocatalysis”的文章通过理论指导，成功从非MAX相层状碳化物（W,Ti）₄C₄⁻ʸ前驱体中选择性刻蚀出钨层，首次制备出W₂TiC₂Tₓ MXene。该材料在析氢反应（HER）中表现出144 mV的低过电位（10 mA cm⁻²），优于现有MXene催化剂，为低成本电催化材料开发提供了新思路。

图文摘要

创新点归纳：

1.合成路径创新：摒弃传统 MAX 相前驱体，选用非 MAX 相层状碳化物

作前驱体，经理论指导选择性刻蚀钨层，制备出MXene，还通过加过量铝优化前驱体制备过程，解决了合成难题。

2. 材料性能突破：经理论和实验验证，MXene 富含钨的基面使其在酸性环境下，析氢反应（HER）过电位低至～144mV ，性能超越多数已报道的 MXene 催化剂，为高效 HER 催化剂研发提供新思路。

3. 多领域应用潜力：对MXene 的研究显示，其光学上紫外高吸收、红外可透射，非线性光学传输呈反向饱和吸收特性，在光学限幅、全光开关等光子和光电子领域应用潜力大。

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研究内容 & 图文数据

（1）前驱体优化与W₂TiC₂Tₓ MXene的合成

要点精读：

1.通过DFT计算预测，含25%钨空位的（W,Ti）₄C₄⁻ʸ前驱体更易选择性刻蚀钨层，形成有序双金属MXene。

2.过量铝（2 mol）的添加提升了前驱体结构质量，减少碳层氧杂质，增强刻蚀可行性。

3.刻蚀后XRD显示新宽峰（2θ≈7°），对应MXene的（002）晶面，验证层状结构形成。

图1 DFT分析与实验合成路径验证

（2）W₂TiC₂Tₓ MXene的逐步表征

要点精读：

1.SEM显示刻蚀后前驱体由块状变为纳米片堆叠结构，验证二维层状剥离。

2.SIMS分析证实MXene表面终止基团（-O、-OH、-F）分布均匀，且金属层钨/钛有序排列。

3.胶体溶液呈现丁达尔效应，支持MXene单层/少层分散特性。

图 2 合成路径与初步确认

图 3 前驱体至MXene的合成与结构演变

（3）W₂TiC₂Tₓ MXene的性能验证

要点精读：

1.原子分辨率STEM显示MXene为三原子层结构（W-Ti-W），外层为高原子序数的钨。

2.XPS分析表明表面终止基团以氧为主，且钨、钛价态分别为W⁴⁺和Ti³⁺，利于HER活性。

3.电化学测试显示其HER过电位仅为144 mV（10 mA cm⁻²），优于Mo₂CTₓ（189 mV）等同类材料。

图 4 MXene原子结构、表面化学与性能验证

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总结 & 原文链接

本研究通过理论计算指导前驱体设计，首次从非MAX相层状碳化物中刻蚀出钨基MXene（W₂TiC₂Tₓ），解决了传统MAX相不稳定的难题。该材料兼具高导电性和低HER过电位，为低成本、高性能催化剂开发提供了新策略。其创新点在于通过调控金属层空位与终止基团优化催化活性，同时验证了非MAX前驱体合成MXene的可行性，拓展了二维材料的制备路径。

原文链接：https://www.science.org/doi/10.1126/sciadv.ads0836

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