研究背景
MXene 是一類二維（2D）過渡金屬碳化物、氮化物及碳氮化物，因其優(yōu)異的電化學性能被廣泛應用于能源存儲、電催化及光電子器件等領域。與傳統(tǒng)的貴金屬催化劑相比，MXene 具有高金屬導電性、可調表面化學以及優(yōu)異的機械與熱穩(wěn)定性等優(yōu)勢，使其成為氫析出反應（HER）的潛在催化材料。然而，目前已合成的 MXene 主要來源于 MAX 相前驅體，而鎢基 MAX 相由于計算預測的不穩(wěn)定性，導致鎢基 MXene 的可控合成極具挑戰(zhàn)性。因此，尋找合適的合成策略以制備高效 HER 催化劑仍面臨諸多挑戰(zhàn)。
為了解決這些問題，美國普渡大學Babak Anasori教授團隊在“Nature Synthesis”期刊上發(fā)表了題為“Synthesis of a 2D tungsten MXene for electrocatalysis”的最新論文。該團隊利用理論計算指導實驗合成，成功制備了 W?TiC?Tx MXene，這是首個由非 MAX 相前驅體衍生的鎢基 MXene。研究人員通過在納米層狀三元碳化物 (W,Ti)?C??y 的合成過程中引入過量鋁元素，優(yōu)化了前驅體結構，并通過選擇性刻蝕共價鍵結合的鎢-碳層，實現(xiàn)了 W?TiC?Tx MXene 的可控制備。利用掃描透射電子顯微鏡（STEM）和 X 射線光電子能譜（XPS），研究團隊確認了該 MXene 的層狀結構及原子級有序排列，并通過密度泛函理論（DFT）計算和實驗測試評估了其 HER 電催化活性。
研究表明，W?TiC?Tx MXene 具有優(yōu)異的 HER 性能，其在 10 mA cm?2 電流密度下的過電位僅為 144 mV，遠優(yōu)于現(xiàn)有的 W1.33CtX MXene。此外，該材料的高導電性和穩(wěn)定性使其在光電子和激光應用中也表現(xiàn)出潛在價值。本研究突破了 MXene傳統(tǒng)合成范式，為構筑高效 HER 催化劑及新型 2D 材料提供了新的思路。
研究亮點
(1) 實驗首次通過理論引導合成方法，成功合成了一種基于鎢的 MXene—W2TiC2Tx，該材料來源于非 MAX 相的層狀三元碳化物 (W,Ti)4C4?y。
(2) 實驗通過調控前驅體中鎢和鈦的有序排列、金屬層中的空位缺陷以及碳層中氧雜質的去除，實現(xiàn)了對 (W,Ti)4C4?y 選擇性刻蝕，從而成功獲得 W2TiC2Tx MXene。
(3) 研究通過掃描透射電子顯微鏡 (STEM) 和 X 射線光電子能譜 (XPS) 確認了 W2TiC2Tx 的原子級層狀結構及表面化學組成，并結合密度泛函理論 (DFT) 計算，驗證了其電子結構及化學穩(wěn)定性。
(4) 電化學測試表明，W2TiC2Tx MXene 在析氫反應 (HER) 過程中表現(xiàn)出優(yōu)異的催化性能，其 10 mA cm?2 電流密度下的過電位僅約 144 mV，優(yōu)于大多數(shù)已報道的 MXene 催化劑。
圖文解讀
圖 1：用于合成改性 (W,Ti)4C4?y 前驅體及其 HF 可蝕性的 DFT 與實驗方法。
圖 2：2Al-(W2Ti)4C4?y 前驅體向 W2TiC2Tx MXene 合成過程的逐步表征。
圖 3：利用 STEM 和 XPS 對 W2TiC2Tx MXene 進行材料表征。
圖 4：W2TiC2Tx MXene 的電催化 HER 活性：基于嚴格 DFT 計算確定 W2TiC2Tx MXene 的 HER 活性。
結論展望
總之，本研究報道了一種基于理論指導的鎢基 MXene——W2TiC2Tx 的合成方法，該方法通過選擇性蝕刻共價鍵合的鎢層，從改性納米層狀三元碳化物 (W,Ti)4C4?y 前驅體中成功獲得了 W2TiC2Tx。研究者采用 XRD、XPS、TEM、EDS、Rietveld、SIMS 以及 DFT 等多種技術深入表征了其結構和成分。富鎢的基面賦予了 W2TiC2Tx MXene 優(yōu)異的電催化析氫（HER）性能，在酸性條件下表現(xiàn)出極低的 HER 過電位（約 144 mV），這一結果得到了 DFT 計算的支持。W2TiC2Tx MXene 的 HER 活性可能與鎢的高活性有序基面密切相關。此外，研究者對其電子和光電行為的研究表明，該 MXene 具有光限幅、全光開關等光子和光電子應用的潛力。本研究為探索其他非 MAX 相納米層狀三元碳化物前驅體的合成，以及拓展 MXene 家族的化學組成、性質和應用提供了新的研究方向。
原文詳情：
Thakur, A., Highland, W.J., Wyatt, B.C. et al. Synthesis of a 2D tungsten MXene for electrocatalysis. Nat. Synth (2025).
https://doi.org/10.1038/s44160-025-00773-z
