Nano-Micro Letters研究背景
随着电子技术在5G通信和军事应用领域的快速发展，电磁波(EMW)吸收材料迎来显著发展阶段。为了应对不断升级的电磁污染问题，近年来人们对高效EMW吸收材料的关注日益增加，如碳基物质、金属化合物、MOF衍生物和MXene。目前，有大量的研究表明，利用半导体-半导体或者金属-半导体材料之间的相互作用，通过异质结工程建立半导体结或者莫特-肖特基结可以在材料中产生更强的界面内建电场(BIEF)，并显著增强电子转移能力。本工作通过利用不同的半导体材料来形成相应的异质结，从而满足半导体结和莫特-肖特基结的构建要求。因此，本文通过简单的水热方法成功地设计并合成了一系列具有半导体结和莫特-肖特基结的Mo-MXene多异质结构。利用两种异质结之间的协同作用，构建出独特的BIEF，并改善材料的电子转移能力，从而增强其介电损耗能力。
Constructing Built-In Electric Fields with Semiconductor Junctions and Schottky Junctions Based on Mo-MXene/Mo-Metal Sulfides for Electromagnetic Response
Xiaojun Zeng*, Xiao Jiang, Ya Ning, Yanfeng Gao, Renchao Che*
Nano-Micro Letters (2024)16: 213
https://doi.org/10.1007/s40820-024-01449-7
本文亮点
1. 设计了具有半导体结和莫特-肖特基结的Mo-MXene/Mo-金属硫化物。
2. 通过在半导体-半导体-金属异质结构中形成内建电场，增强介电极化和阻抗匹配。
3. 密度泛函理论计算和雷达截面仿真证实了该异质结构具有优异的电磁波吸收能力。
内容简介
探索新型多元异质结构已经成为开发高性能电磁波(EMW)吸收材料的关键策略。然而，传统异质结构中的损耗机制相对简单，以经验判断为主。在这项工作中，景德镇陶瓷大学曾小军教授团队、上海大学高彦峰教授和复旦大学车仁超教授提出了一种新型的半导体-半导体-金属异质结构体系，并成功合成了具有半导体结和莫特-肖特基结的Mo-MXene/Mo-金属硫化物(金属= Sn，Fe，Mn，Co，Ni，Zn和Cu)。通过巧妙地结合这些不同的功能组分(Mo-MXene、MoS₂、金属硫化物)，设计并合成出一种具有卓越吸收能力、宽有效吸收带宽和超薄匹配厚度的多异质界面结构。正如密度泛函理论所证实的那样，半导体-半导体-金属异质结构的成功建立，在材料中产生了增强电子转移的内置电场，该理论与多种介电极化机制协同作用，大大增强了材料的EMW吸收能力。在本文中，详细介绍了一系列具有半导体-半导体和半导体-金属界面的Mo-MXene/Mo-金属硫化物。其中，Mo-MXene/Mo-Sn硫化物性能最为显著，在匹配厚度仅为1.885 mm的情况下实现了-70.6 dB的优异反射损耗。雷达截面计算表明，这一系列Mo-MXene/Mo-金属硫化物在实际军事隐身技术中具有巨大的潜力。这项工作摆脱了传统组分设计的局限性，并提出了一种新的设计理念，为MXene基复合材料具备强大的EMW吸收能力提供帮助。
图文导读
I Mo-MXene/Mo-金属硫化物异质结构的的制备、物相结构表征
方案1描述了产生Mo-MXene/Mo-金属硫化物(半导体-半导体-金属混合相)异质结构的合成途径。首先，使用HF溶液刻蚀Mo₂TiAlC₂ MAX的Al层，以形成多层Mo-MXene。随后，通过简单的水热合成工艺，在层状Mo-MXene的表面和层间生长MoS₂纳米片。在此过程中，MoS₂作为n型半导体，与Mo-MXene金属相形成半导体-金属异质结。然而，由于Mo-MXene/MoS₂的高电导率，半导体-金属异质结的形成导致阻抗匹配不良的问题。为了增强MXene基材料的EMW吸收能力，在水热过程中分别引入7种额外的金属离子(Sn⁴⁺、Fe3⁺、Mn2⁺、Co2⁺、Ni2⁺、Zn2⁺和Cu2⁺)来合成另一种半导体。这种掺入旨在提高材料的EMW吸收性能。“一锅”水热合成工艺促进MoS₂半导体相和金属硫化物(金属 = Sn、Fe、Mn、Co、Ni、Zn和Cu)半导体相的产生。这两种半导相与Mo-MXene金属相的结合导致了两种半导体-金属异质结和半导体-半导体异质结的形成，并协同提升了材料的EMW吸收性能。此外，SEM图像和EDS元素分布图表明，不同形态的出现有利于构建半导体-半导体-金属异质结构，并且在Mo-MXene/Mo-金属硫化物中Mo、Ti、C、O、S和相应金属元素分布均匀。这种量身定制的设计策略旨在建立丰富的异质界面，以增强界面极化。
方案1. Mo-MXene/Mo-金属硫化物的合成过程示意图。
图1. (a)Mo-MXene/Mo-Sn硫化物、(b)Mo-MXene/Mo-Fe硫化物、(c)Mo-MXene/Mo-Mn硫化物、(d)Mo-MXene/Mo-Co硫化物、(e)Mo-MXene/Mo-Ni硫化物、(f)Mo-MXene/Mo-Zn、(g)Mo-MXene/Mo-Cu硫化物的SEM图像、原子结构和EDS图谱。
本文以Mo-MXene/Mo-Sn硫化物为代表材料，研究添加金属离子对其晶相组成和形貌的影响。从XRD图中可以看出(图2a)，层状Mo-MXene的衍射峰与前人的发现一致，证明MXene的成功合成。进一步的分析表明，Mo-MXene/Mo-Sn硫化物中除了MXene的衍射峰外，还发现了MoS₂和Sn₂S₃的相关峰值。值得注意的是，MoS₂的晶相除了2H相外，还发现了1T-MoS₂相。通过Raman分析进一步证实了MoS₂中存在1T和2H相(图2b)。根据XRD和Raman的共同结果，在MoS₂结构中可能由于2H相的半导体性质和1T相的金属性质形成半导体-金属异质结。此外，还证明在合成过程中，由于Mo-MXene的金属特性与MoS₂和Sn₂S₃的半导体性来形成半导体-半导体-金属异质结。从XPS光谱可以看出(图2d-2i)，与Mo-MXene/MoS₂相比，在Mo-MXene/Mo-Sn硫化物中可以观察到S 2p和Mo 3d中出现了结合能偏移现象。这一结果揭示了在Mo-MXene/MoS₂中引入Sn元素后，S和Mo元素之间存在强烈的电子相互作用。这种相互作用会在半导体-半导体-金属异质界面上产生缺陷并促进有效的电子转移。
图2. (a)样品的XRD图和(b)Raman光谱；(c)2H-MoS₂、1T-MoS₂和Mo-MXene/Mo-Sn硫化物的原子结构示意图；Mo-MXene/Mo-Sn硫化物和Mo-MXene/MoS₂的(d)Sn 3d、(e)Mo 3d、(f)S 2p、(g)Ti 2p、(h)C 1s和(i)O 1s的高分辨率XPS光谱。
图3a-3d显示了成功合成的以纳米花为特征的MoS₂材料。MoS₂纳米花由厚度约为11 nm的纳米片组装而成。图3e-3h显示了Mo-MXene的手风琴状结构，片层清晰(厚度≈4 nm)，表面光滑，证实了Al层的成功去除。此外，图3i-3l显示了Mo-MXene/MoS₂中既保留了Mo-MXene的层状结构，又在Mo-MXene的表面和层间生长了MoS₂纳米片。Mo-MXene/Mo-Sn硫化物的微观结构如图3m-3p所示，Sn的加入会在一定程度上与Mo⁴⁺争夺S2⁻，导致Mo-MXene/MoS₂的形貌发生变化，但MoS₂纳米片的生长仍然存在。此外，由于Sn₂S₃的形成，Mo-MXene/Mo-Sn硫化物中出现了形貌的改变(细小颗粒附着在纳米片上)。HRTEM图像中出现的相关晶面间距进一步证实Mo-MXene、MoS₂和Sn₂S₃晶体的存在。根据SEM、TEM和HRTEM的结果证实了半导体-半导体-金属异质界面的存在，表明Mo-MXene/Mo-Sn硫化物异质结构的成功形成，同时为增强电子转移能力和界面极化提供帮助。
图3. (a-d)MoS₂、(e-h)Mo-MXene、(i-l)Mo-MXene/MoS₂和(m-p)Mo-MXene/Mo-Sn硫化物的SEM、TEM和HRTEM图像。
II 电磁波吸收性能及RCS模拟
本文以Mo-MXene/Mo-Sn硫化物为代表材料，研究添加金属离子对其电磁参数的影响。如图4a-4c所示，通过对比分析MoS₂、Mo-MXene、Mo-MXene/MoS₂和Mo-MXene/Mo-Sn硫化物的EMW吸收性能发现，Mo-MXene/Mo-Sn硫化物表现出优异的EMW吸收性能，在匹配厚度仅为1.885 mm时，反射损失值为-70.6 dB。这一结果主要归因于材料中半导体-半导体-金属混合相的形成。有趣的是，Mo-MXene/Mo-Sn硫化物在C波段和X波段也显示出出色的反射损耗值(< -45.0 dB)，其匹配厚度低于5 mm。此外，通过分析材料的电磁参数可以发现(图4d-4f)，Mo-MXene/Mo-Sn硫化物具有适中的介电常数和衰减能力。这主要是由于过高和过低的介电常数和衰减能力不利于材料吸收电磁波。如图4g所示，半导体结和莫特-肖特基结的协同作用导致材料中形成独特的BIEF，并改善了材料的介电损耗能力。其次，金属相Mo-MXene和半导体相金属硫化物(MoS₂和Sn₂S₃)之间形成的肖特基势垒有助于增加界面电阻。这种现象有利于电荷积累和界面极化的产生。
图4. (a)Mo-MXene/Mo-Sn硫化物的三维RL值；(b)Mo-MXene/Mo-Sn硫化物的二维RL值和模拟dm (dmˢⁱᵐ) vs. fm曲线；(c)不同样品的二维RL值和Z值；(d)样品的介电常数；(e)Mo-MXene/Mo-Sn硫化物的ɛ′-ɛʺ曲线；(f)样品的α值；(g)半导体相与金属相之间形成BIEF的示意图。
为了研究Mo-MXene/Mo-Sn硫化物在实际应用中的潜力，利用计算机仿真技术(CST)对雷达截面(RCS)进行了模拟计算(图5a-5k)。与PEC模型相比，Mo-MXene/Mo-Sn硫化物模型的反射信号更小。另外，为了验证在半导体和金属相之间构建BIEF对性能提升的有效性，还设计了其它六种Mo-MXene/Mo-金属硫化物(金属= Fe，Mn，Co，Ni，Zn和Cu)。基于RCS模拟结果，可以推断出Mo-MXene/Mo-金属硫化物在理论上也表现出优异的EMW吸收能力。因此，根据RCS仿真结果，本文所构建的半导体-半导体-金属异质结构具有应用于其它材料的潜力。
图5. (a)RCS模型；(b)PEC、Mo-MXene、Mo-MXene/MoS₂和Mo-MXene/Mo-Sn硫化物的二维RCS值；(c)样品的RCS减少值；覆盖有Mo-MXene/Mo-金属硫化物的PEC的CST模拟结果，其中金属代表(d)Sn、(e)Fe、(f)Mn、(g)Co、(h)Ni、(i)Zn和(j)Cu；(k) Mo-MXene/Mo-金属硫化物(金属= Fe，Mn，Co，Ni，Zn和Cu)的RCS减少值。
根据之前对Sn体系的分析，可以明显看出Sn元素的加入大大提高了材料的EMW吸收性能。通过对Mo-MXene/Mo-Sn硫化物优异性能产生的原因进行分析得出，半导体-半导体-金属异质结构的形成是其性能优异的关键因素。为了验证该机理对其他复合材料的适用性，本文通过研究在相同反应条件下制备的其它六种Mo-MXene/Mo-金属硫化物(金属= Fe，Mn，Co，Ni，Zn和Cu)的性能，来证明机理的可靠性(图6)。与Mo-MXene/MoS₂相比，得到的Mo-MXene/Mo-金属硫化物(金属= Fe，Mn，Co，Ni，Zn和Cu)具有显著提升的EMW吸收能力和阻抗匹配(图6a-6l)。因此，上文所描述的半导体-半导体-金属异质结构的构建也适用于其他金属元素体系，具有一定的普适性。图6m表明，Mo-MXene/Mo-Sn硫化物表现出最好的性能，超过了大多数MXene基EMW吸收材料。
图 6. 不同样品的(a-h)二维RL图，(i)相应的Z和RL值，(j)相应的RL和EAB值，(k)最佳厚度的EAB值；(l)不同样品之间性能的比较；(m)MXene基电磁波吸收材料的RL/d值(详见表S1)；(n)Mo-MXene与金属硫化物之间形成BIEF的示意图。
III DFT模拟和EMW吸收机制
为了从理论上验证该异质结构中电子分布和BIEF的情况，通过密度泛函理论(DFT)模拟计算了材料的差分电荷密度。结果表明在半导体-半导体界面，电子在MoS₂上积累；在半导体-金属界面，电子在Mo-MXene上积累。根据这些结果，在Mo-MXene/Mo-Sn硫化物中可以形成多重BIEF，有助于调节Mo-MXene/Mo-Sn硫化物的电子迁移能力。因此，通过在Mo-MXene、MoS₂和金属硫化物之间构建半导体结和莫特-肖特基结，可以显著提升Mo-MXene/Mo-金属硫化物的介电损耗能力，增强材料的EMW吸收性能。其中，BIEF的产生和相关极化行为是改善EMW吸收性能的关键因素。
图7. (a，b)Mo-MXene/MoS₂和(c，d)Mo-MXene/Mo-Sn硫化物模型的差分电荷密度，其中蓝绿色区域代表电子消耗，黄色区域代表电子积累；(e-h)Mo-MXene/Mo-金属硫化物异质结构的电磁波吸收机制示意图。
IV 总结
综上所述，介绍了一种通过构建半导体-半导体-金属多异质结构(包括半导体结和莫特-肖特基结)来合成高性能EMW吸收材料的新策略。实验结果和理论计算表明，BIEF的产生和极化行为是提高EMW吸收性能的关键因素。基于这一创新策略，对Sn体系内的不同样品进行了性能评估，发现半导体-半导体-金属异质结构的成功构建将导致材料出现优异的EMW吸收性能。其中，Mo-MXene/Mo-Sn硫化物具有显著的EMW吸收能力，在匹配厚度仅为1.885 mm时，反射损耗值为-70.6 dB，有效频带宽高达3.92 GHz。通过RCS仿真进一步验证了结果的正确性，证实了Mo-MXene/Mo-Sn硫化物在反雷达探测中实际应用的可能性。此外，研究还发现在C波段和X波段Mo-MXene/Mo-Sn硫化物表现出优异的反射损耗值(< -45.0 dB)，匹配厚度小于5 mm。通过选择不同的金属离子，这种策略方法可以扩展到其它Mo-MXene/Mo-金属硫化物(金属= Fe，Mn，Co，Ni，Zn和Cu)。因此，半导体-半导体-金属异质结构的成功构建为显著提高EMW吸收能力提供了一条新的途径。
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本文通讯作者
电磁功能材料与能源催化材料。
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Dongale, Muthukumar Perumalsamy, Arul Saravanan Raaju Sundhar, Do Hwan Kim & Sang Jae Kim Nano-Micro Letters (2026)18: 393 https://doi.org/10.1007/s40820-026-02230-8 本文亮点 1. 催化机理优化：本研究采用氧化镁纳米颗粒辅助法制备钴铁层状金属氢氧化物(CoFe LMH)；氟掺杂可选择性调控铁位点并保持钴位点结构完整，有效改性钴铁层状氢氧化物的电子结构，使铁原子形成高自旋构型，进而提升催化活性。 2. 抗腐蚀能力突出：本研究通过氟掺杂改性样品 F-CoFe LMH-8 为双功能催化剂，在海水环境中兼具优异的亲水性、亲氧性，同时具备显著的疏氯特性，可有效排斥氯离子。 3. 长周期运行稳定：本研究以 F-CoFe LMH-8 同时作为阴、阳极组装的阴离子交换膜电解装置，在海水电解体系中，施加 2.3 V 电压即可实现1 A⋅cm⁻²的电流密度；装置连续运行 500 小时，电压衰减率仅为0.15 μV⋅h⁻¹，展现出极佳的运行稳定性。 微信图片_2026-06-23_091114_955.png 研究背景 氢能被视作清洁能源核心载体，电解水制氢是实现 “氢经济” 的主流技术，传统电解水依赖大量淡水资源，大规模应用受限。而海水储量丰富、取用便捷，直接海水电解成为替代淡水制氢、降低成本的理想路线，但面临两大核心难题：一是海水中大量氯离子会引发电极腐蚀、发生竞争性析氯副反应，严重破坏催化剂结构、降低产氢效率；二是析氢反应(HER)与析氧反应(OER)动力学缓慢，现有非贵金属催化剂活性不足、稳定性差。 目前主流层状双氢氧化物(LDH)类电极材料，在碱性海水体系中易发生结构重构，氯离子极易侵蚀活性位点；各类阴离子插层、表面改性等手段虽有改善，但普遍存在工作电压高、稳定时长短、难以工业化的问题。而贵金属催化剂活性优异，但价格昂贵、储量稀缺，无法满足规模化海水电解需求，因此开发低成本、高活性、耐氯腐蚀的非贵金属双功能电解催化剂具有重要现实意义。 内容简介 海水电解制绿氢是一项极具发展前景的技术，但OER动力学迟缓、氯离子腐蚀等问题严重制约了其实际应用。全北国立大学Do Hwan Kim等制备了一种新型氟掺杂钴铁层状金属氢氧化物催化剂(F-CoFe LMH-8)，该材料是性能优异的双功能电催化剂。在电流密度为10 mA⋅cm⁻²条件下，其HER、OER的过电位分别仅为 81.23 mV 和 265.5 mV。理论计算与实验结果表明：氟掺杂可调控材料电子结构，使铁活性位点转变为高自旋构型，优化反应中间体吸附能，同时赋予材料疏氯特性，有效抵御氯离子带来的腐蚀。将 F-CoFe LMH-8 同时作为阴、阳极双功能催化剂，组装得到阴离子交换膜水电解槽(AEMWE)，在连续制氢过程中表现出优异性能：在 1 mol/L KOH溶液中，电流密度可达1.2 A⋅cm⁻²；在 1 mol/L KOH+0.5 mol/L NaCl混合溶液中，电流密度为1.02 A⋅cm⁻²；在海水基 1 mol/L KOH体系中，施加 2.3 V 电压即可实现1 A⋅cm⁻²的电流密度。此外，研究采用长短期记忆(LSTM)机器学习模型对 F-CoFe LMH-8 的稳定性进行预测。该研究思路为定向设计适用于海水电解阴离子交换膜电解槽(AEMWE)、可规模化制氢的高稳定性、疏氯型高性能电催化剂，提供了一套完整的研究方案。 图文导读 I F-CoFe LMH的制备与表征 图1展示了氟掺杂钴铁层状氢氧化物的合成流程与物化性质。本研究采用氧化镁纳米颗粒辅助法制备钴铁层状金属氢氧化物(CoFe LMH)材料，高分辨透射电镜(TEM)观测结果显示(图1b-e)，氟掺杂并未破坏材料原本的纳米片形貌：其中未掺杂样品 CoFe LMH-3 的晶面间距为 0.2521 nm，氟改性后的 F-CoFe LMH-8 晶面间距增至 0.2612 nm，直观证明掺杂后材料晶格发生膨胀。结合XRD、Raman光谱与傅里叶变换红外光谱(图1f-h)测试结果可知，氟元素成功掺入晶体晶格且未生成其他杂相，同时有效调控了材料内部金属 – 氧键、羟基等化学键与表面官能团结构。图1i结合电子顺磁共振结果进一步证实，F-CoFe LMH-8 的信号强度显著高于原始样品，说明氟掺杂成功诱导铁原子形成高自旋构型，这一结构特征是该催化剂能够展现优异电催化性能的核心原因。 1.png 图1 (a) 材料合成示意图；(b、c) CoFe LMH-3 在不同放大倍数下的高分辨透射电镜图；(d、e) F-CoFe LMH-8 在不同放大倍数下的高分辨透射电镜图(插图为对应的选区电子衍射图谱)；CoFe LMH-3 与 F-CoFe LMH-8 的：(f) 粉末 XRD及对应晶面间距、(g) Raman光谱、(h) 傅里叶变换红外光谱、(i) 电子顺磁共振图谱。 图2通过多种表征手段，深入分析了氟掺杂前后钴铁层状氢氧化物的元素化学态、原子配位环境与电子结构特征。XPS谱图分别采集了Co、Fe、O、F四种元素的精细谱图(图2a-d)，对比测试结果可见，氟掺杂后钴元素的特征峰位置、峰形均未发生明显偏移，证明钴位点的化学价态与局域电子环境基本保持不变；而铁元素的特征衍射峰出现显著位移，结合能发生规律性改变，直观反映出氟掺杂对铁原子电子云分布产生了明显调控。由此可见氟掺杂对钴元素的电子环境影响微弱，但会显著改变铁元素的结合能，证明氟原子可选择性作用于铁位点，同时完整保留钴活性中心的结构。同时图谱中出现了清晰的氟元素特征峰，也直接证实氟原子成功负载于材料表面并参与结构构建。 在此基础上，图2e-l通过X 射线吸收近边结构(XANES)与扩展 X 射线吸收精细结构(EXAFS)测试进一步印证了这一规律：钴的 K 边吸收谱与配位键长基本无变化，而铁的 K 边吸收峰向高能方向偏移，Fe-O 键作用明显增强，金属间键合被弱化。结合小波变换扩展 X 射线吸收精细结构图谱能够看出，氟掺杂精准调控了铁的局域配位环境，最终诱导铁形成高自旋状态，从原子层面揭示了材料催化性能提升的内在机理。 2.png 图2 CoFe LMH-3 与 F-CoFe LMH-8 的 XPS 精细谱：(a-d) Co、Fe、O、F；(e) 钴 K 边 X 射线吸收近边结构谱及 (f) 对应的扩展 X 射线吸收精细结构谱；(g) 铁 K 边 X 射线吸收近边结构谱及 (h) 对应的扩展 X 射线吸收精细结构谱；钴 K 边小波变换扩展 X 射线吸收精细结构谱：(i) CoFe LMH-3、(j) F-CoFe LMH-8；铁 K 边小波变换扩展 X 射线吸收精细结构谱：(k) CoFe LMH-3、(l) F-CoFe LMH-8。 II F-CoFe LMH的电化学性能 图3综合展示了系列催化剂的电化学性能、界面反应特征与理论吸附特性。图 3a、3b分别为线性扫描伏安曲线与塔菲尔斜率，结果表明氟掺杂改性后的 F-CoFe LMH-8 拥有更优异的反应动力学性能，电荷转移阻力更低，电催化反应速率远优于未掺杂的 CoFe LMH-3。图 3c奈奎斯特图同样印证了该结论，F-CoFe LMH-8 的圆弧半径明显更小，代表材料界面电荷传输效率更高、导电性能更佳。 图 3d、3e 与 3f、3g为扫描电化学显微镜测试结果，分别呈现了两种材料的基底电流与探针电流分布。F-CoFe LMH-8 的电流响应强度显著更高，说明其表面活性位点数量丰富，且反应活性分布均匀。图 3h是 F-CoFe LMH-8 在恒定电流密度−50 mA⋅cm −2下的电化学稳定性测试，全程电位波动极小，体现出出色的电化学耐久性能。 结合理论计算，图 3i、3j、3k分析了氢吸附中间体在钴、铁、氧位点的吸附能与吉布斯自由能：铁位点对氢中间体的吸附强度最为适中，既保障反应顺利推进，又不会因吸附过强占据活性位点，从理论层面解释了该材料析氢催化活性突出的内在原因。 3.png 图3 (a) 不同组分氟掺杂与未掺杂钴铁层状氢氧化物催化剂的线性扫描伏安曲线；(b) 对应的塔菲尔斜率；(c) CoFe LMH-3 与 F-CoFe LMH-8 的奈奎斯特图；CoFe LMH-3 的扫描电化学显微镜测试：(d) 基底电流分布、(e) 探针电流分布；F-CoFe LMH-8 的扫描电化学显微镜测试：(f) 基底电流分布、(g) 探针电流分布；(h) F-CoFe LMH-8 在恒定电流密度 −50 mA⋅cm⁻² 下的电化学稳定性测试；氟掺杂钴铁层状氢氧化物催化剂上氢吸附中间体在 (i) 钴位点、(j) 铁位点、(k) 氧位点的吸附能；钴、铁、氧位点上氢吸附中间体的吉布斯自由能。 图4围绕不同组分催化剂的析氧电化学性能、反应机理及电子结构展开分析。图 4a、4b为各样品的线性扫描伏安曲线与塔菲尔斜率，对比多款未掺杂、氟掺杂钴铁层状氢氧化物可以发现，F-CoFe LMH-8 的起始电位更低、塔菲尔斜率更小，代表其OER动力学最优，催化反应速率领先其余样品。图 4c的奈奎斯特图进一步佐证了上述结论，相较于 CoFe LMH-3，F-CoFe LMH-8 的阻抗圆弧半径更小，界面电荷转移阻力更低，电子传输能力更强。图 4d、4e和图 4f、4g为扫描电化学显微镜测试结果，F-CoFe LMH-8 的基底电流与探针电流信号更强，说明材料表面活性位点分布均匀且本征活性更高。 图 4h的稳定性测试结果显示，F-CoFe LMH-8 在持续工作过程中性能保持稳定，具备良好的长效服役能力。结合图 4iOER机理图与图 4j吉布斯自由能图，可明确材料的反应路径与最优活性位点。图 4k、4l的分态密度图谱则揭示了电子结构差异：氟掺杂有效调控了费米能级附近的电子态密度，提升了电子迁移能力，最终从电子层面阐明了 F-CoFe LMH-8 高效催化OER的本质。 4.png 图4 (a) 多种样品的线性扫描伏安曲线；(b) CLMH、CoFe LMH-1、CoFe LMH-2、CoFe LMH-3、CoFe LMH-4、FLMH-5、F-CLMH-6、F-CoFe LMH-6、F-CoFe LMH-7、F-CoFe LMH-8、F-CoFe LMH-9 及 F-FLMH-10 的塔菲尔斜率；(c) CoFe LMH-3 与 F-CoFe LMH-8 的奈奎斯特图；CoFe LMH-3 的扫描电化学显微镜测试：(d) 基底电流、(e) 探针电流；F-CoFe LMH-8 的扫描电化学显微镜测试：(f) 基底电流、(g) 探针电流；(h) F-CoFe LMH-8 的稳定性测试；(i) OER机理；(j) F-CoFe LMH OER的吉布斯自由能图(用于确定反应活性位点)；(k) CoFe LMH-3、(l) F-CoFe LMH-8 不同配位位点的分态密度图。 III F-CoFe LMH的耐蚀性测试与机理 图5聚焦催化剂在海水体系下的耐腐蚀性、电化学行为与作用机制。图 5a测试了 F-CoFe LMH-8 在纯KOH溶液、模拟海水以及添加天然海水的电解液中的线性扫描伏安曲线，样品在三类体系中均保持稳定的电化学响应，初步体现出良好的海水环境适应性。图 5b为两种材料在模拟海水中的线性极化曲线，相比 CoFe LMH-3，F-CoFe LMH-8 的腐蚀电流更低，抗腐蚀能力大幅提升。图 5c氯离子吸附能图谱直观说明，F-CoFe LMH-8 对氯离子的吸附作用较弱，能够有效减少氯离子在材料表面附着，这也是其具备优异疏氯性能的关键。图 5d奈奎斯特图与图 5e弛豫时间分布分析结果显示，氟掺杂改性后材料的阻抗特征更优，界面结构在模拟海水中不易被破坏。图 5f、5g多电位相频特性曲线进一步反映出，F-CoFe LMH-8 在不同电位下电化学界面状态更稳定。 图 5h原位拉曼光谱证明，长期处于模拟海水环境中，材料的晶体结构与化学键未发生明显改变，结构稳定性优异；图 5i长效稳定性测试也验证了该结果。图 5j–5q为不同电位下的扫描电化学显微镜测试数据，在 0.3 V 和 0.35 V(vs Ag/AgCl)电位条件下，F-CoFe LMH-8 的基底电流与探针电流信号始终稳定且强度更高，表明其表面活性位点在海水体系中可正常发挥作用。最后，图 5r为离子作用机理示意图，清晰阐释了材料排斥氯离子、保障催化反应持续进行的微观原理。 5.png 图5 (a) F-CoFe LMH-8 在 1 mol/L KOH溶液、模拟海水(1 mol/L KOH+0.5 mol/L NaCl)以及天然海水配制的 1 mol/L KOH 溶液中的线性扫描伏安曲线；(b) CoFe LMH-3 与 F-CoFe LMH-8 在模拟海水中的线性极化曲线；(c) 氯离子吸附能图谱；(d) 奈奎斯特图；(e) CoFe LMH-3 与 F-CoFe LMH-8 的弛豫时间分布分析；(f) CoFe LMH-3、(g) F-CoFe LMH-8 的多电位相频特性分析；(h) F-CoFe LMH-8 在模拟海水中的原位拉曼测试结果；(i) 其电化学稳定性测试结果。在参比电极银 / 氯化银电位为 0.3 V 条件下，CoFe LMH-3 的扫描电化学显微镜测试：(j) 基底电流、(k) 探针电流；电位升至 0.35 V 时：(l) 基底电流、(m) 探针电流。在 0.3 V(vs Ag/AgCl)条件下，F-CoFe LMH-8 的扫描电化学显微镜测试：(n) 基底电流、(o) 探针电流；电位升至 0.35 V 时：(p) 基底电流、(q) 探针电流。(r) 离子在 F-CoFe LMH-8 材料表面的作用机理示意图。 IV F-CoFe LMH的稳定性测试 图6主要探究了催化剂在电解液及电解器件中的综合性能、长效稳定性与运行表现。图 6a、6b是 CoFe LMH-3 与 F-CoFe LMH-8 在模拟海水电解液(1 mol/L KOH+0.5 mol/L NaCl)中的线性扫描伏安曲线与多阶电流密度稳定性测试，对比可见 F-CoFe LMH-8 电化学活性更出色，在阶梯式变化的电流工况下性能也能平稳维持。图 6c进一步开展大电流稳定性测试，该样品在200 mA⋅cm⁻²、400 mA⋅cm⁻²高电流密度下持续工作，电位无明显波动，耐受大电流冲击的能力较强。 图 6d为阴离子交换膜水电解槽(AEMWE)装置示意图，直观展示了器件整体结构。图 6e、6f分别是搭载 F-CoFe LMH-8 双功能催化剂的电解槽，在三种不同电解液体系下的极化曲线与奈奎斯特图，结果表明该电解槽在常规碱液、模拟海水、天然海水体系中均拥有较低的极化电压与界面阻抗，环境适配性良好。 图 6g记录了电解槽的长期运行稳定性，器件可连续稳定工作。图 6h将电解槽电压衰减率与美国能源部(DOE)既定指标进行对比，本体系衰减速率远低于标准要求，长效运行优势显著。图 6i针对海水体系下的电解槽开展不同运行时长的弛豫时间分布分析，数据证明随着运行时间增加，器件界面结构与电化学特性未出现明显劣化。图 6j借助时序分析法对催化剂及电解器件的长期稳定性进行预测，进一步佐证了该材料在海水电解规模化应用中的潜力。 6.png 图 6 (a) CoFe LMH-3 与 F-CoFe LMH-8 催化剂在 1 mol/L KOH+0.5 mol/L NaCl体系中的线性扫描伏安曲线；(b) 多阶电流密度下的稳定性测试结果；(c) F-CoFe LMH-8 在上述电解液中，分别恒定电流密度为 200 mA⋅cm⁻²、400 mA⋅cm⁻² 时的稳定性测试；(d) 阴离子交换膜水电解槽(AEMWE)装置示意图；(e) 采用 F-CoFe LMH-8 双功能催化剂组装的电解槽，分别在 1 mol/L KOH、1 mol/L KOH+0.5 mol/L NaCl、1 mol/L KOH+天然海水体系下的极化曲线；(f) 对应的奈奎斯特图；(g) 该电解槽的长期运行稳定性；(h) 电压衰减率与美国能源部(DOE)技术指标对比；(i) F-CoFe LMH-8 基电解槽在海水体系中不同运行时长下的弛豫时间分布分析；(j) 借助时序分析法对催化剂稳定性进行的预测结果。 V 总结 综上所述，本研究对钴铁层状金属氢氧化物进行氟掺杂改性，成功制备出一种性能优异、稳定性强的双功能电催化剂，可应用于长效海水电解体系。氟掺杂可精准调控钴铁层状氢氧化物的铁配位位点，同时不会破坏用于OER的钴活性金属中心。所制备的 F-CoFe LMH-8 兼具出色的析氢与析氧催化性能：电流密度达到10 mA⋅cm⁻²时，析氢过电位为 81.23 mV，析氧过电位为 265.5 mV。氟掺杂能够强化铁位点的铁 – 氧键作用，促使双电层内氢氧根离子持续富集，有效抑制氯离子腐蚀，进而提升催化剂的催化活性与服役寿命。此外，采用 F-CoFe LMH-8 同时作为阴、阳极组装的阴离子交换膜海水电解槽，在 2.3 V 电压下可实现1 A⋅cm⁻²的电流密度；在0.125 A⋅cm⁻²恒定电流下连续运行 500 小时，电压衰减率仅为0.15 μV⋅h⁻¹，不仅达到美国能源部相关技术指标，也证明该体系具备工业化应用潜力。本研究为简易制备高性能、抗腐蚀海水电解催化剂提供了新思路，可推动阴离子交换膜海水电解槽的长效稳定运行。 作者简介 7.jpg图片 Do Hwan Kim 本文通讯作者 韩国全北国立大学 教授 ▍主要研究领域 电催化水分解、海水电解、阴离子交换膜电解槽技术以及非贵金属催化材料设计。 ▍主要研究成果 Do Hwan Kim教授任职于韩国全北国立大学，为科学教育学部教授、表面化学实验室负责人，主要研究方向涵盖电催化水分解、海水电解、阴离子交换膜电解槽技术以及非贵金属催化材料设计，在Adv. Funct. Mater.、Nano Energy 等知名期刊累计发表 SCI 论文 130 余篇，总引用量超 5000 次，h 指数约 40，研究成果多见于，在本研究中主要负责催化剂设计、电子结构调控与电解槽性能测试分析。 ▍Email：dhk201@jbnu.ac.kr 图片8.png Sang Jae Kim 本文通讯作者 韩国济州国立大学 教授 ▍主要研究领域 海水电解双功能催化剂、层状氢氧化物复合材料、电极界面调控及抗氯离子腐蚀技术。 ▍主要研究成果 Sang Jae Kim教授毕业于日本东北大学，曾赴剑桥大学、佐治亚理工学院开展访学研究，现任韩国济州国立大学教授、纳米材料与系统实验室负责人，长期致力于海水电解双功能催化剂、层状氢氧化物复合材料、电极界面调控及抗氯离子腐蚀技术研究，多项成果发表于Adv. Energy Mater.、Small等高水平期刊，累计发表 SCI 论文 150 余篇，h 指数达 73。 ▍Email：kimsangj@jejunu.ac.kr 撰稿：《纳微快报(英文)》编辑部 编辑：《纳微快报(英文)》编辑部 关于我们 9.jpg Nano-Micro Letters《纳微快报(英文)》是上海交通大学主办、在Springer Nature开放获取(open-access)出版的学术期刊，主要报道纳米/微米尺度相关的高水平文章(research article, review, communication, perspective, highlight, etc.)，包括微纳米材料与结构的合成、表征、性能及其在能源、催化、环境、传感、人工智能、电磁波吸收与屏蔽、健康监测、生物医药等领域的应用研究及高水平综述。期刊已被SCI、EI、PubMed、SCOPUS等数据库收录，2025 JCR IF=38.5，学科排名Q1区前1.5%。多次荣获“中国最具国际影响力学术期刊”、“中国高校杰出科技期刊”、“上海市精品科技期刊”等荣誉，2021年荣获“中国出版政府奖期刊奖提名奖”。欢迎关注和投稿。 期刊网址: https://springer.com/40820 投稿网址：https://mc03.manuscriptcentral.com/nmlett E-mail: editorial_office@nmlett.org Tel: 86-21-34207624
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