加拿大国家科学研究所–Nb2C–X（X=S，Cl，F）/石墨烯异质结构的第一性原理研究：评估水稳定性及其对电催化的意义

Nb₂C–X MXenes（X=S，Cl，F）有潜力成为有前途的经济（电）催化剂，但它们在氧化和水性环境中的降解仍然是一个主要问题。在这项工作中，使用密度泛函理论探索了由Nb₂C–X MXenes和石墨烯制成的异质结构的抗氧化性和水解性。本研究发现，与原始的Nb₂C–X MXene相比，Nb₂C–X/石墨烯异质结构不太容易氧化。特别是，与Nb₂C–S/石墨烯和Nb₂C–Cl/石墨烯相比，Nb₂C–F/石墨烯具有更高的抗氧化性。对Nb₂C–X/石墨烯异质结构的电子性质的分析表明，与原始Nb₂C–X结构相比，导电性有所提高，并深入了解了石墨烯对MXene电子结构的影响。此外，还比较了原始Nb₂C–S和Nb₂C–S/石墨烯异质结构的抗水解性。Nudged弹性带计算表明，与原始Nb₂C–S相比，Nb₂C–S/石墨烯异质结构上的水吸附和离解活化能显著更高，这是MXene在水介质中分解的第一步。此外，对析氧反应（OER）性能的评估显示，与原始Nb₂C–S相比，Nb₂C–S/石墨烯上的OER的过电位显著较低，表明异质结构的电催化活性有所提高。这项工作介绍了石墨烯在提高MXenes的抗氧化性和在水介质中的稳定性方面的关键作用，这对合成稳定的MXenes基（电）催化剂是一个有价值的见解。

图1. MXenes和MXene/石墨烯异质结构合成的简单图解。

图2.Nb₂C–F/石墨烯、Nb₂C–S/石墨烯和Nb₂C–Cl/石墨烯异质结构的层间距离和相应的界面结合能。

图3. 优化的Nb₂C–S/石墨烯（a）、Nb₂C–Cl/石墨烯（b）和Nb₂C–F/石墨烯。

图4. （a）Nb₂C–S/石墨烯、（b）Nb₂C-Cl/石墨烯和（c）Nb₂C——F/石墨烯的DOS和投影DOS。

图5. 原始石墨烯和Nb₂C–S/石墨烯、Nb₂C–Cl/石墨烯以及Nb₂C–F/石墨烯中石墨烯Cp轨道的投影DOS。

图6. 优化后的Nb₂C–S_x–1O（a）、Nb₂C–Cl_x–1O（b）和Nb2C–F_x–1O（c）的俯视图，显示了氧在表面上的位置。

图7.当一个表面官能团被氧取代时，Nb₂C–X/石墨烯异质结构和具有S、Cl和F端接的原始Nb₂C–X的形成能的变化。

图9. 水分子在Nb₂C–S上离解的最小能量路径以及IS、TS和FS的相应几何形状。

图10.（a）Nb₂C–S和（b）Nb₂C-S/石墨烯的Nb–S和S–S桥位点上OER反应途径的自由能图。

相关研究成果由加拿大国家科学研究所Kulbir K. Ghuman等人2023年发表在ACS Applied Nano Materials (链接：https://doi.org/10.1021/acsanm.3c04022)上。原文：First-Principles Study on Nb₂C–X (X = S, Cl, F)/Graphene Heterostructures: Assessing Aqueous Stability and Implications for Electrocatalysis