氢能具有燃烧热焓高、零碳排放的优点，满足未来绿色新能源的需求，契合全球碳中和的发展理念。通过电解水的方式制备绿色氢能（HER）被认为是最经济、最高效的制氢手段。传统的酸性HER虽然可以实现高效的质子耦合电子反应，但是面临着贵金属储量少、价格昂贵、催化剂腐蚀溶解、产物酸雾污染的难题需要解决。碱性HER反应通常使用廉价的催化剂，并且可以与其它高效的阳极半反应（析氧/析氯）同时实现阴极产氢，阳极产氧/氯的工业化反应，具有更广泛的工业化应用范围。但是，碱性电解水需要额外引入水分子的裂解反应，这无疑增加了HER的反应势垒，使得催化剂的碱性HER活性比同等条件下的酸性环境低2~3个数量级。因此，发展高效且廉价的催化剂加速H-OH键的断裂和氢质子的脱附，对于提升碱性HER催化活性非常关键。
近日，耿凤霞教授课题组通过电化学自优化的手段剥离负载在铝氧阴离子修饰的碳化钛（Ti3C2）MXene基底上MoCoOx前驱体，精细地制备出包含单原子Mo, CoOx团簇和铝氧阴离子修饰的碳化钛（Ti3C2）MXene基底的三元催化界面。得益于CoOx团簇较强的水裂解性能， 单原子Mo吸附聚合质子的能力，以及AlOx-基团上桥接氧的存在增加了催化剂的Brønsted酸度，其具有可逆的吸脱附质子特点，从而确保了碱性环境中的HER反应遵循富质子（类酸环境）状态下的最快速Volmer-Tafel析氢机制。相应的性能测试表明，Mo-CoOx@MXene-Al复合催化剂表现出优异碱性HER催化性能，驱动10 mA/cm2的电流密度仅需要39 mV的过电位，Tafel斜率低至34 mV/dec，表现出媲美商业双贵金属PtRu/C催化剂的性能。更重要的是，这种精细调控的复合催化剂经过25小时的循环测试后，没有表现出明显的活性衰减，显示出较高的实用价值。
原文链接：doi.org/10.1073/pnas.2209760120