超8700 h！电子科大夏川/江秋&复旦大学徐昕，再发Nature子刊！

质子交换膜（PEM）水电解是一种很有前途的可持续制氢技术，其可行性取决于在不牺牲催化效率的情况下最大限度地减少铂（Pt）的使用。这一挑战的核心是提高Pt的本征活性，同时确保催化剂的稳定性。基于此，电子科技大学夏川教授和江秋副教授、复旦大学徐昕教授（共同通讯作者）等人报道了一种由Mo₂TiC₂ MXene负载Pt纳米簇（Pt_NC）组成的高度稳定和高效的电催化剂（Mo₂TiC₂-Pt_NC），仅需最小的Pt含量（36 μg cm^-2），用于PEM水电解。Operando光谱和密度泛函理论（DFT）计算证实，从MXene底物到Pt_NC的异常电荷转移，产生了高效的富电子Pt位点，用于稳健的氢气析出。

此外，所合成的Mo₂TiC₂-Pt_NC与商用Pt/C-20%的性能相当，只需要13±3.6 mV的过电位就可以达到10 mA cm^-2的电流密度，并在该电流密度下稳定运行超过280 h。更重要的是，基于Mo₂TiC₂-Pt_NC的器件显示出强大的能力，当在PEM电解槽中与商业析氧催化剂（IrO₂）耦合时，在环境温度下，在电流密度为200 mA cm^-2时电解纯水分解超过8700 h。值得注意的是，该器件在~1.65 V的低平均施加电压下提供了1 A cm^-2的高电流密度，并在实际工作条件（80 °C, 1 bar）下稳定运行超过4800 h。值得注意的是，在组装的PEM装置中，阴极上的Pt负载仅为36 μg cm^-2，远远低于商业设计负载量的1/10。本文所制备的Mo₂TiC₂-Pt_NC催化剂作为商业Pt/C-20%的可行替代品具有很大的前景，代表了满足下一代PEM器件需求的主要候选者。

相关工作以《Sustainable and cost-efficient hydrogen production using platinum clusters at minimal loading》为题发表在2025年5月9日的《Nature Communications》上。

夏川，电子科技大学教授、博士生导师、国家青年人才计划入选者。在CO₂电化学转化方向取得重大原创性突破，在国际上首次提出并构建了CO₂固态电解质电解技术、提出了“无机催化-生物催化杂合”概念。解决了CO₂电解产物分离提纯和C-C偶联困难的问题，在全球范围内首次实现CO₂到葡萄糖和油脂的人工合成，被人民日报、央视新闻、中新社等广泛报道。

徐昕，复旦大学教授、博士生导师，获国家杰青（2006）、教育部长江学者奖励计划（2011）。1985年和1991年获厦门大学学士和博士学位。1991-1993年在中国科学院福建物质结构研究所担任博士后；1993年加入厦门大学任副研究员，1995年被破格提升为研究员，1998年被评为博土生导师。曾到日本京都大学、美国加州理工学院进行访问。2010年加入复旦大学任教授。研究方向涉及多相催化、均相催化、生物体系、纳米体系以及理论方法、密度泛函理论的新泛函等方面。

作者采用简单的水热法合成了Mo₂TiC₂-Pt_NC催化剂。首先，通过HF蚀刻法合成多层Mo₂TiC₂（记为Mo₂TiC₂-M），其中Al层从母体Mo₂TiAlC₂粉末中选择性去除。接着，该结构被有机分子四丁基氢氧化铵（TBAOH）插入，得到了层数较少的Mo₂TiC₂ MXene，通过彻底的洗涤步骤来去除残留的TBAOH。扫描电子显微镜（SEM）图像可以明显看出Mo₂TiC₂的层状结构，透射电子显微镜（TEM）计算得出Mo₂TiC₂的层间间距为1.8 nm。通过使用Mo₂TiC₂作为支撑，通过水热方案促进了Pt_NC的沉积，在该过程中加入六水氯铂酸（H₂PtCl₆·6H₂O）和Mo₂TiC₂。

图1.催化剂的合成和结构表征

线性扫描伏安（LSV）曲线显示，Mo₂TiC₂-Pt_NC催化剂具有有效的HER活性，在10 mA cm^-2时过电位仅为13±3.6 mV，与基准Pt/C-20%（14.7±0.6 mV, 10 mA cm^-2）。在过电位为31 mV时，Mo₂TiC₂-Pt_NC表现出1.55±0.4 mA cm^-2_ECSA的本征性能（特异值为1.99 mA cm^-2_ECSA），比基准Pt/C-20%（0.32±0.04 mA cm^-2_ECSA）高出4.8倍。Mo₂TiC₂-Pt_NC的Tafel斜率为24 mV dec^-1，与Pt/C-20%的Tafel斜率相当。

在过电位为60 mV时，Mo₂TiC₂-Pt_NC的质量活性为3.3±1.31 A mg^-1，远远高于Pt/C-20%的质量活性（0.72±0.19 A mg^-1）和Mo₂TiC₂-Pt_SA的质量活性（0.35±0.07 A mg^-1）。在相同过电位下，Mo₂TiC₂-Pt_NC的周转频率（TOF）为9.45±3.71 s^-1，优于基准Pt/C-20%（1.82±0.48 s^-1）和Mo₂TiC₂-Pt_SA（0.36±0.07 s^-1）。此外，在10 mA cm^-2的电流密度下电解超过280 h，可以实现稳定的氢气生产。加速稳定性测试显示，在10000次循环后几乎没有衰减）。

图2.催化剂的电催化性能

通过密度泛函理论（DFT）计算，作者研究了Mo₂TiC₂-Pt_NC的高稳定性和高HER活性的起源。考虑到Pt_NC的计算量和实验尺寸，作者选择了Pt₃₁模型进行仿真，该模型主要暴露（111）面，采用了Pt₃₁与Mo结合的模型。DFT计算表明，两种不同的模型导致了相反的电荷转移方向。Mo₂TiC₂-Pt_NC表面Pt原子的d电子结构，包括低坐标Pt（LC-Pt）和Mo坐标Pt（MoC-Pt）。减弱的*H结合通过加速Tafel步骤增加了内在HER活性，该步骤被确定为Pt/C和Mo₂TiC₂-Pt_NC的速率决定步骤。Mo₂TiC₂-Pt_NC的金属-载体相互作用使能够克服减小Pt尺寸的缺点，即增加LC-Pt暴露会增强*H结合并降低本征HER活性。

图3. DFT计算

将Nafion117膜夹在Mo₂TiC₂-Pt_NC和商用IrO₂之间，用于PEM水电解，Pt负载量为36 μg cm^-2。Mo₂TiC₂-Pt_NC基电解槽能在200 mA cm^-2下水电解超过8700 h。在过电位约为1.97 V下，降解率仅为2.2 μV h^-1，符合DOE 2026年的目标（2.3 μV h^-1）。在工业工作条件下（1 A cm^-2, 1 bar, 80 °C），Mo₂TiC₂-Pt_NC基电解槽阴极和阳极之间的阻抗可以降低到15-20 mΩ cm^-2，可在1 A cm^-2下稳定运行4800 h以产生氢气。此外，在Mo₂TiC₂-Pt_NC基电解槽的扩展电极面积（49 cm²）上，每小时输出超过4.09升纯氢，稳定性超过3600 h。

图4. PEM水电解槽（PEMWE）装置的性能

Sustainable and cost-efficient hydrogen production using platinum clusters at minimal loading. Nature Communications, 2025, https://doi.org/10.1038/s41467-025-59450-6.