电催化水分解制氢技术是解决能源危机的重要方案，但其阳极析氧反应（OER）因复杂的四电子转移过程导致动力学缓慢，成为制约制氢效率的关键瓶颈。虽然RuO₂等贵金属催化剂表现出优异的OER活性，但其高昂成本和较差的稳定性限制了实际应用。近年来，研究者提出将贵金属与过渡金属单原子（如Co-SA）协同整合的策略，既能保持高催化活性，又能降低成本。然而，Ru纳米颗粒在酸性条件下易溶解，而Co单原子催化剂则面临金属浸出问题。因此，迫切需要研究一种更合适的载体，可以合理地改变活性位点的局部环境和电子结构，从而构建高效的OER电催化剂。MXene材料因其优异的导电性和大比表面积成为理想载体，其中Ti₃C₂T_x MXene通过边缘氧化可形成富含氧空位的MXene/TiO₂异质结，不仅能抑制层间堆叠，还能增强金属活性位点的锚定能力，为开发高效稳定的OER催化剂提供了新思路。

本研究成功开发了一种新型高效析氧反应（OER）电催化剂RuCo-MXene/TiO₂，通过将钌纳米颗粒（Ru NPs）与钴单原子（Co SAs）可控负载于富含氧空位的MXene/TiO₂异质结上，实现了催化性能的显著提升。该催化剂在酸性条件下仅需208 mV过电位即可达到10 mA cm^-2电流密度，并展现出长达500小时的优异稳定性。实验表征结合理论计算表明，Ru NPs与Co SAs之间的协同作用有效调控了活性位点的电子结构，优化了氧中间体的吸附能，显著降低了O→OOH这一决速步的能垒，从而大幅提升了反应动力学。MXene/TiO₂异质结载体不仅解决了MXene易堆叠的问题，其丰富的氧空位还增强了金属活性位点的锚定效果和电荷传输能力。这种将贵金属与过渡金属单原子相结合的策略，在保证催化活性的同时大幅降低了贵金属用量，为设计高效、稳定的OER催化剂提供了新思路，对推动电解水制氢技术的发展具有重要意义。

图1 (a)RuCo-MXene/TiO₂的制备示意图；MAX(b)、MXene(c)和RuCo-MXene/TiO₂(d)的SEM图。

图2 RuCo-MXene/TiO₂的TEM(a)和HRTEM(b)图；(c-h) RuCo-MXene/TiO₂的HAADF-STEM和元素映射图；MXene、RuCo-MXene/TiO₂、Ru-MXene/TiO₂和Co-MXene/TiO₂的拉曼光谱图(i)和N2吸脱附曲线以及孔径分布图(j)；(k)RuCo-MXene/TiO₂的接触角测试。.

图3（a）MAX、RuCo-MXene/TiO₂、Ru-MXene/TiO₂和Co-MXene/TiO₂的EPR光谱图；（b）RuCo-MXene/TiO₂和Ru-MXE/TiO₂的Ru 3d和C 1s的高分辨率XPS光谱图；（c）RuCo-MXene/TiO₂和Co-MXene/TiO₂的Co 2p；（d）RuCo-MXene/TiO₂、Ru-MXene/TiO₂、Ru箔和RuO₂的归一化Ru K边XANES光谱；（e）RuCo-MXene/TiO₂、Ru-MXene/TiO₂、Ru箔和RuO₂的Ru K边FT-EXAFS光谱；（f）RuCo-MXene/TiO₂的Ru K边FT-EXAFS拟合结果；（g）RuCo-MXene/TiO₂、Co-MXene/TiO₂、CoO、Co3O4和Co箔的归一化Co K边XANES光谱；（h）RuCo-MXene/TiO₂、Co-MXene/TiO₂、CoO、Co3O4和Co箔的Co K边FT-EXAFS光谱；（i）RuCo-MXene/TiO₂的Co K边FT-EXAFS拟合结果。

图4 RuCo-MXene/TiO₂、Ru-MXene/TiO₂、Co-MXene/TiO₂、RuO₂和MXene的LSV极化曲线（a），过电位的OER比较（b），Tafel图（c）和在1.438 V与RHE下的奈奎斯特图（d）；（e）RuCo-MXene/TiO₂、Ru-MXene/TiO₂、Co-MXene/TiO₂、RuO₂的Cdl值；（f）RuCo-MXene/TiO₂的稳定性测试；（g）与最近报道的文献进性能比较图。

图5（a）RuCo-MXene/TiO₂的FTIR图；（b）RuCo-MXene/TiO₂的AEM机制图；（c）在U=1.23V下，含氧中间体在RuCo-MXene/TiO₂、Ru-MXene/TiO₂和Co-MXene/TiO₂上的自由能分布图；（d-f）RuCo-MXene/TiO₂、Ru-MXene/TiO₂和Co-MXene/TiO₂的DOS图；（g）优化OER机制的示意图。

刘飞，贵州大学教授，博士生导师。担任贵州省高等学校碳基能源分子化工利用技术重点实验室主任，贵州省化工协会副会长；团队长期致力于能源资源转化的高等教育和科学研究，近年来主持国家级、省部级及各类产学研项目50余项、获国家发明专利20余件、获贵州省科技进步奖2项。以第一作者或通讯作者身份在《Appl. Catal. B: Environ.》、《ACS Catal.》、《Nano Energy》、《Chem. Eng J.》、《J Mater. Sci. Technol.》、《Nano Research》等期刊上发表 SCI收录论文100余篇。

Zhou S, Liu F, Ran Y, et al. Constructing double-tuned Ru nanoparticles and Co single atoms on MXene/TiO₂ heterojunctions as for efficient oxygen evolution reaction electrocatalyst. Nano Research 2025,

 https://doi.org/10.26599/NR.2025.94907714.