DOI: https://doi.org/10.1038/s41699-026-00660-x
تاريخ النشر: 2026-01-17
المؤلف: D. Kruger وآخرون
الموضوع الرئيسي: مواد MXene وMAX Phase
نظرة عامة
تركز البحث على تطوير المحفزات الكهربائية غير الثمينة لتفاعل تطور الأكسجين (OER) في إنتاج الهيدروجين الكهربائي، مع التأكيد على استخدام MXenes كمواد دعم موصلة. تم استخدام طريقة تخليق جديدة وقابلة للتوسع من خطوة واحدة تعتمد على حفر الملح المنصهر الحمضي لويس (LAMS) لمرحلة Ti₃AlC₂ MAX لإنشاء هجن نانوية ثنائية المعدن NiₓFeᵧ-Ti₃C₂Clₓ. أظهر المحفز الكهربائي الأمثل، Ni₁Fe₁-Ti₃C₂Clₓ، جهد زائد قدره 310 مللي فولت عند 10 مللي أمبير سم⁻² وانحدار Tafel قدره 48 مللي فولت ديسيبل⁻¹، مع الإشارة إلى توفر فعال على السطح لكل من النيكل والحديد من خلال الفولتمترية الدورية.
أكدت تقنيات التوصيف المتقدمة على تشكيل سبيكة نانوية من Ni-Fe متكاملة بشكل وثيق مع دعم Ti₃C₂Clₓ، مع مراحل هيكلية تعتمد على نسبة Ni/Fe. أشارت حسابات نظرية الكثافة الوظيفية (DFT) إلى تفضيل آلية تطور الممتزات (AEM) على آلية الأكسجين الشبكي (LOM)، مما يبرز أن مواقع النيكل تظهر نشاطًا تحفيزيًا أعلى. يقدم هذه الدراسة طريقة بسيطة لتخليق الهجن ثنائية المعدن-MXene، والتي يمكن أن تعزز كفاءة عمليات تحويل الطاقة الكهربائية، لا سيما في سياق دمج الطاقة المتجددة وإنتاج الهيدروجين.
طرق
في هذه الدراسة، استخدم الباحثون مسحوق Ti$_3$AlC$_2$ MAX phase الذي تم الحصول عليه من Nanochemazone كمادة أساسية. شمل الإعداد التجريبي مجموعة متنوعة من الأملاح اللامائية، وخاصة FeCl$_2$، NiCl$_2$، FeBr$_2$، NiBr$_2$، NaCl، KCl، NaBr، وKBr، جميعها مصدرها Sigma-Aldrich. بالإضافة إلى ذلك، تم توفير تشتت الأيونومر Aquivion D72-25BS وهيدروكسيد البوتاسيوم (KOH)، المصنف ككاشف ACS، أيضًا من قبل Sigma-Aldrich، مما يشير إلى اختيار شامل للمواد للإجراءات التجريبية المقصودة.
نتائج
في هذه الدراسة، تم تخليق سلسلة من هجن NiFe-Ti$_3$C$_2$T$_x$ MXene باستخدام نسب مختلفة من NiCl$_2$ وFeCl$_2$ كمواد حفر. تم تحديد متوسط تحميل النيكل والحديد المشترك ليكون 39 ± 3 وزناً%، مما يتماشى بشكل وثيق مع التوقعات النظرية. أكدت تحليل حيود الأشعة السينية (XRD) على التكوين الناجح لمرحلة Ti$_3$C$_2$T$_x$ MXene، التي أظهرت خصائص هيكلية متسقة عبر نسب الحفر المختلفة. من الجدير بالذكر أنه عند استخدام نسبة 3:1 من NiCl$_2$ إلى FeCl$_2$، تم تشكيل سبيكة Ni-Fe مكعبة مركزية الوجه (fcc) بشكل رئيسي، مع تحول تكوين المرحلة من fcc إلى مكعبة مركزية الجسم (bcc) مع زيادة محتوى الحديد.
كشفت صور HAADF-STEM المصححة بدقة عالية عن الحفر الكامل لطبقة الألمنيوم من مرحلة Ti$_3$AlC$_2$ MAX الأصلية، مما أدى إلى تكوين Ti$_3$C$_2$T$_x$ MXene متعددة الطبقات. أشارت مطيافية الأشعة السينية المشتتة للطاقة (EDS) إلى وجود طبقة نانوية رقيقة من سبيكة NiFe مدعومة على MXene، مع تأكيد مطيافية الأشعة السينية للأشعة السينية (XPS) على حالات الأكسدة لكل من النيكل والحديد. أظهرت تحليل هيكل الامتصاص الدقيق للأشعة السينية (EXAFS) سبائك النيكل والحديد في المرحلة fcc، مع مسافات الروابط وأرقام التنسيق التي تشير إلى سبيكة غنية قليلاً بالنيكل مع أكسدة تفضيلية للحديد على السطح. بشكل عام، تسلط هذه النتائج الضوء على التخليق الناجح والتوصيف لهجن NiFe-Ti$_3$C$_2$T$_x$، التي تظهر خصائص هيكلية وإلكترونية واعدة للتطبيقات المحتملة.
مناقشة
تركز قسم المناقشة في ورقة البحث على الخصائص الكهروكيميائية والأداء التحفيزي الكهربائي لهجن NiFe-Ti₃C₂Tₓ MXene. كشفت الفولتمترية الدورية (CV) أن هذه المواد تظهر عمليات فارادائية تشير إلى وجود أنواع معدنية نشطة من حيث الأكسدة والاختزال، مع جهد نصف موجي مميز لكل من الحديد والنيكل، مما يشير إلى أدوارها في تفاعل تطور الأكسجين (OER). أظهر عينة Ni-Ti₃C₂Clₓ نشاطًا تحفيزيًا متفوقًا مقارنة بـ Fe-Ti₃C₂Clₓ، مع تعزيز التركيبات ثنائية المعدن للأداء من خلال تأثير تآزري يعتمد على نسبة Fe/Ni. أشار تحليل انحدار Tafel إلى تحسين الديناميات للعينات ثنائية المعدن، مما يدعم فكرة أن النيكل يلعب دورًا حاسمًا في نشاط OER.
قدمت التحقيقات الإضافية باستخدام مطيافية impedancia الكهروكيميائية (EIS) و ATR-SEIRAS في الموقع رؤى حول ديناميات نقل الشحنة وأنواع السطح أثناء تشغيل OER. تشير النتائج إلى أن مواقع النيكل النشطة تسهل اقتران O-O، وهو خطوة رئيسية في آلية OER، مع تفضيل مسار AEM على مسار LOM بسبب الحواجز الطاقية الأقل المرتبطة بالنيكل. أظهرت اختبارات الاستقرار تدهورًا تدريجيًا لهجين NiFe-Ti₃C₂Clₓ، والذي يُعزى إلى تسرب التيتانيوم وإعادة توزيع النيكل والحديد تحت ظروف قلوية. بشكل عام، تسلط الدراسة الضوء على إمكانيات طرق التخليق القابلة للتوسع للمحفزات الكهربائية المتقدمة القائمة على MXene، مع التأكيد على قابليتها للتطبيق في تقنيات تحويل الطاقة.
DOI: https://doi.org/10.1038/s41699-026-00660-x
Publication Date: 2026-01-17
Author(s): D. Kruger et al.
Primary Topic: MXene and MAX Phase Materials
Overview
The research focuses on the development of non-precious metal electrocatalysts for the oxygen evolution reaction (OER) in electrochemical hydrogen production, emphasizing the use of MXenes as conductive support materials. A novel, scalable one-step synthesis method utilizing Lewis acid molten salt (LAMS) etching of the Ti₃AlC₂ MAX phase was employed to create bimetallic NiₓFeᵧ-Ti₃C₂Clₓ nano-hybrids. The optimal electrocatalyst, Ni₁Fe₁-Ti₃C₂Clₓ, demonstrated an overpotential of 310 mV at 10 mA cm⁻² and a Tafel slope of 48 mV dec⁻¹, with cyclic voltammetry indicating effective surface availability of both nickel and iron species.
Advanced characterization techniques confirmed the formation of a nano-structured Ni-Fe alloy closely integrated with the Ti₃C₂Clₓ support, with structural phases dependent on the Ni/Fe ratio. Density functional theory (DFT) calculations indicated a preference for the adsorbate evolution mechanism (AEM) over the lattice oxygen mechanism (LOM), highlighting that nickel sites exhibit higher catalytic activity. This study presents a straightforward method for synthesizing bimetallic-MXene heterostructures, which could enhance the efficiency of electrochemical energy conversion processes, particularly in the context of renewable energy integration and hydrogen production.
Methods
In this study, the researchers utilized powdered Ti$_3$AlC$_2$ MAX phase precursor obtained from Nanochemazone as the primary material. The experimental setup included various anhydrous salts, specifically FeCl$_2$, NiCl$_2$, FeBr$_2$, NiBr$_2$, NaCl, KCl, NaBr, and KBr, all sourced from Sigma-Aldrich. Additionally, the ionomer dispersion Aquivion D72-25BS and potassium hydroxide (KOH), classified as an ACS reagent, were also provided by Sigma-Aldrich, indicating a comprehensive selection of materials for the intended experimental procedures.
Results
In this study, a series of NiFe-Ti$_3$C$_2$T$_x$ MXene nanohybrids were synthesized using varying ratios of NiCl$_2$ and FeCl$_2$ as etchants. The average combined Ni and Fe loading was determined to be 39 ± 3 wt.%, aligning closely with theoretical predictions. X-ray diffraction (XRD) analysis confirmed the successful formation of the Ti$_3$C$_2$T$_x$ MXene phase, which exhibited consistent structural characteristics across different etchant ratios. Notably, when using a 3:1 ratio of NiCl$_2$ to FeCl$_2$, a face-centered cubic (fcc) Ni-Fe alloy was predominantly formed, with the phase composition shifting from fcc to body-centered cubic (bcc) as the Fe content increased.
High-resolution aberration-corrected HAADF-STEM imaging revealed the complete etching of the aluminum layer from the parent Ti$_3$AlC$_2$ MAX phase, resulting in multilayered Ti$_3$C$_2$T$_x$ MXene. Energy-dispersive X-ray spectroscopy (EDS) indicated the presence of a thin nanolayer of NiFe alloy supported on the MXene, with X-ray photoelectron spectroscopy (XPS) further confirming the oxidation states of Ni and Fe. Extended X-ray Absorption Fine Structure (EXAFS) analysis demonstrated the alloying of Ni and Fe in the fcc phase, with bond distances and coordination numbers suggesting a slightly Ni-rich alloy with preferential oxidation of Fe at the surface. Overall, these findings highlight the successful synthesis and characterization of NiFe-Ti$_3$C$_2$T$_x$ nanohybrids, which exhibit promising structural and electronic properties for potential applications.
Discussion
The discussion section of the research paper focuses on the electrochemical characteristics and electrocatalytic performance of NiFe-Ti₃C₂Tₓ MXene nanohybrids. Cyclic voltammetry (CV) revealed that these materials exhibit faradaic processes indicative of redox-active metallic species, with distinct half-wave potentials for Fe and Ni, suggesting their roles in the oxygen evolution reaction (OER). The Ni-Ti₃C₂Clₓ sample demonstrated superior catalytic activity compared to Fe-Ti₃C₂Clₓ, with bimetallic compositions enhancing performance through a synergistic effect dependent on the Fe/Ni ratio. The Tafel slope analysis indicated improved kinetics for bimetallic samples, supporting the notion that Ni plays a critical role in OER activity.
Further investigations using electrochemical impedance spectroscopy (EIS) and in situ ATR-SEIRAS provided insights into charge transfer dynamics and surface species during OER operation. The findings suggest that the Ni active sites facilitate O-O coupling, a key step in the OER mechanism, with the AEM pathway being favored over the LOM pathway due to lower energy barriers associated with Ni. Stability tests indicated gradual degradation of the NiFe-Ti₃C₂Clₓ nanohybrid, attributed to the leaching of Ti and redistribution of Ni and Fe under alkaline conditions. Overall, the study highlights the potential of scalable synthesis methods for advanced MXene-based electrocatalysts, emphasizing their applicability in energy conversion technologies.