《Fuel》：Interfacial engineering of MXene/UiO-66 nanohybrids for efficient hydrogen evolution and urea oxidation
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MXene/UiO-66复合催化剂通过锚定UiO-66纳米晶到MXene表面实现高效电催化制氢，过电位低至0.256 V（HER）和0.199 V（OER），电活性表面积达29.8-36.4 mF/cm2，稳定性可持续10小时。该结构通过MXene的导电性和UiO-66的稳定孔隙协同提升催化性能。
拉克什米·普拉桑纳·林加姆丁内（Lakshmi Prasanna Lingamdinne）、拉凯什·库尔卡尼（Rakesh Kulkarni）、拉玛·拉奥·卡里（Rama Rao Karri）、阿贾扬·维努（Ajayan Vinu）、纳达瓦拉·希瓦·库马尔（Nadavala Siva Kumar）、穆罕默德·阿西夫（Mohammad Asif）、贾纳尔丹·雷迪·科杜鲁（Janardhan Reddy Koduru）
韩国首尔光云大学工程学院环境工程系，邮编01897
摘要
化石燃料储备的持续枯竭，加上全球能源需求的不断增长，加剧了环境问题，并加速了人们对替代和可持续能源生产方法的探索。本研究通过将UiO-66金属有机框架（MOF）纳米晶体固定在MXene片材上，开发出一种高效的基于MXene的电催化剂，用于电化学制氢。显微表征证实了UiO-66成功整合到MXene表面，显示出MOF纳米晶体分布均匀且紧密包裹在MXene上，表明界面相互作用强烈。这种定制的混合结构促进了有利的反应动力学，使系统能够在较低的能量输入下达到100 mA cm?2的电流密度，氢气演化（HER）的过电位为0.256 V，氧气演化（OER）的过电位为0.199 V。该电极表现出显著增大的电活性表面积，HER和OER的电容值分别为29.8 mF cm?2和36.4 mF cm?2。此外，该电极在长时间运行过程中表现出稳定的电化学响应，能够维持50 mA cm?2的电流密度长达10小时而不会明显退化。此外，所制备的电极在尿素氧化反应（UOR）中表现出与最先进的Pt/C||RuO?催化剂相当的性能。这种增强的催化效果可归因于UiO-66基质与MXene组分之间的协同作用。在这种混合结构中，MXene促进了高效的电荷传输，而多孔的UiO-66骨架通过抑制MXene的堆叠并增加催化活性位点的可及性来维持结构稳定性。这些特性共同证明了MOF-MXene架构作为高效和可持续的氢生产电催化剂的潜力。
引言
人口快速增长和技术进步显著增加了全球能源需求[1]，给现有的能源基础设施带来了压力。对传统资源的日益依赖加剧了环境挑战，包括气候变化和资源短缺。温室气体是导致全球温度上升的主要因素，进而导致生态失衡和紫外线辐射增强，这与臭氧层破坏有关[2][3]。这些问题凸显了减少排放和加速向可持续能源系统转型的紧迫性。因此，研究人员和工业界都在积极推进清洁和可再生能源技术，以支持长期的环境保护和能源安全[4]。氢气（H?）因其高能量密度和碳中性而成为一种可持续的替代品[5]。电催化水电解，包括氧气演化反应（OER）和氢气演化反应（HER），是氢生产的关键过程，尽管OER受到缓慢动力学的影响，需要较高的过电位[6][7]。降低水电解能耗的一个有前景的策略是用动力学和热力学上更有利的阳极氧化过程替代传统的氧气演化反应（OER）。一系列低分子量化合物，如肼[8]、氨[9]、葡萄糖[10]、醇类[11]和尿素[12]，已被考虑作为阳极反应物，以降低整体电池电压并提高能源效率。然而，尿素氧化反应（UOR）受到了广泛关注，因为它既能产生氢气，又能处理富含尿素的废水[13]。尽管有这些优势，UOR的动力学仍然较慢，通常需要比阴极上的HER更高的过电位，这突显了需要更高效的电催化剂。传统上，由于效率较高，人们使用钌（Ru）、铂（Pt）和铱（Ir）等贵金属催化剂，但它们的稀缺性、高成本和较差的稳定性限制了大规模应用，这促使人们寻找更可持续的替代材料。因此，正在探索石墨碳氮化物、二氧化钛（TiO?）、铜（Cu）和钯（Pd）纳米结构等替代材料[14][15]。二维（2D）材料，如石墨烯、硼烯、MXenes、金属氧化物纳米片和MXenes也显示出潜力，提高了氢生产的催化性能[16][17][18][19][20][21][22][23]。在这些2D纳米材料中，MXenes是一类由金属碳化物、氮化物或碳氮化物组成的新型材料。它们是通过用酸蚀刻MAX相（M?+?AX?，其中n = 1–3）合成的，酸会选择性地去除A族元素[24]。这里的“M”元素是过渡金属，“A”元素来自周期表的第13或14族（如Al或Si），X可以是碳、氮或两者。在合成过程中，化学不稳定的A层被选择性去除，形成通式为M?+?X?T?的二维MXene片材（其中n = 1–3）[25]。在此过程中，MXene的暴露表面会带有–F、–O和–OH等功能基团，统称为Tx[26]。2D MXenes及其复合材料因其出色的性能而被广泛应用于各种领域，包括电磁波吸收、能量生成、能量存储、超级电容器、HER和锂离子电池[27][28]。然而，MXenes的固有特性在某些应用中（如HER）往往无法达到理想性能。这一不足主要归因于几个因素：（i）缺乏活性催化位点，（ii）稳定性问题，以及（iii）较高的过电位[29]。为了解决这些问题，MXenes通常会被修饰或与互补材料（如共催化剂）结合使用。这些改进可以增强其电子导电性，创造额外的反应位点，并提高稳定性，从而在HER应用中实现更好的性能。
金属有机框架（MOFs）是一类由金属节点通过有机连接器连接的纳米多孔固体，具有高度有序和可调的多孔结构。它们独特的孔结构、高孔隙率、大的内部表面积、多样的拓扑结构和化学稳定性提供了开放的金属位点，有利于特定分子的有效吸附[30]。这些自组装的配位聚合物具有易于访问的活性位点，使其在氢生产应用中具有潜力。为了提高MXene相中H?的选择性以满足特定的分离要求，必须通过使用MOF材料对MXenes进行根本性的调整和优化。选择UiO-66作为修饰Ti?C?的有效材料，因为它是一种基于Zr的知名MOF，由金属离子簇[Zr?O?(OH)?]与对苯二甲酸（TA）组成，具有优异的稳定性[31]。
在这项工作中，我们通过一步水热法成功合成了MXene纳米片和UiO-66的纳米复合材料。添加UiO-66调节了MXene的层间距，并通过抑制纳米片的聚集进一步提高了稳定性。此外，纳米复合材料中的UiO-66提供了更多的金属位点，改善了水分子的吸附。凭借这些组分的优异电化学和纹理性能，MXene/UiO-66复合材料在HER、OER和UOR方面表现出色，从而实现了更高的H?产量。这些有效的合成方法和异质结构工程有助于推动绿色能源的发展并减少碳排放。
材料与分析方法
有关所用材料和表征技术的详细信息见支持信息。MXene纳米片的制备
MXene (Ti?C?T?) 的制备包括使用9.0 M HCl溶液与1.60 g LiF和0.80 g Ti?AlC?粉末混合后对Ti?AlC?进行蚀刻。混合物在40°C下连续搅拌20小时。反应完成后，用去离子水（DW）彻底冲洗，直到pH值稳定在7.0左右，表明残留物已被去除。催化剂的结构、表面和形态特性
红外光谱是最简单的获取催化剂中存在的功能团信息的方法。MXene、UiO-66和MXene/UiO-66复合材料的FT-IR（图S1）图谱显示了与单个组分相比的关键伸缩振动峰。最初，在3500 cm?1附近观察到O–H振动，这些振动与水分子中的氢键强度密切相关。FT-IR光谱（图S1）显示...结论
本研究通过一步水热法制备了一种MXene/UiO-66混合催化剂，用于整体水分解应用。所得电极呈现片状形态，UiO-66纳米颗粒沉积在MXene表面，如FE-SEM显微图所示。MXene/UiO-66复合材料在100 mA/cm2电流密度下表现出最低的过电位：HER为0.256 V，OER为0.199 V。MXene/UiO-66表现出出色的电化学性能...CRediT作者贡献声明
拉克什米·普拉桑纳·林加姆丁内（Lakshmi Prasanna Lingamdinne）：撰写原始草稿、方法论、研究、数据管理、概念化。
拉凯什·库尔卡尼（Rakesh Kulkarni）：撰写原始草稿、研究、正式分析、数据管理。
拉玛·拉奥·卡里（Rama Rao Karri）：撰写、审稿与编辑、验证、软件。
阿贾扬·维努（Ajayan Vinu）：撰写、审稿与编辑、可视化、正式分析。
纳达瓦拉·希瓦·库马尔（Nadavala Siva Kumar）、
穆罕默德·阿西夫（Mohammad Asif）：撰写、审稿与编辑、可视化。
贾纳尔丹·雷迪·科杜鲁（Janardhan Reddy Koduru）：撰写、审稿与编辑、验证。
利益冲突声明
作者声明他们没有已知的可能会影响本文工作的竞争性财务利益或个人关系。致谢
本研究得到了韩国国家研究基金会（NRF）的财政支持，该基金会由科学和信息通信技术部资助（资助编号：2021R1F1A1063793）。隶属于沙特国王大学的作者感谢沙特阿拉伯利雅得国王沙特大学正在进行的研发资助计划（ORF-2026-42）。
