电解水析氢（HER）在清洁能源系统中发挥着重要作用，但开发高效、稳定的非贵金属HER电催化剂仍然是一个巨大而长期的挑战。在已有报道的HER电催化剂中，二硫化钴(CoS₂)作为黄铁矿型过渡金属二卤族化合物的代表，因其固有的金属导电性和对表面氢原子的较低的化学吸附能而备受关注。但弱的动力学影响CoS₂的HER性能。为此，研究者致力于通过形貌工程、掺杂工程、与碳材料耦合、构建异质结等策略，甚至采用几种策略结合来提升CoS₂的HER活性。尽管如此，CoS₂的HER活性仍不及Pt催化剂，这表明需要开发新的纳米结构来提升CoS₂的HER活性。

基于对以Cl封端的MXenes (Ti₃CNCl₂) 电化学性能的理论预测，我们提出了一种Ti₃CNCl₂@CoS₂核壳纳米结构。第一性原理计算进一步表明，Ti₃CNCl₂@CoS₂核-壳纳米结构的氢吸附自由能 (ΔGH) 接近于零，远低于单独的CoS₂和Ti₃CNCl₂，显示出高的HER活性潜力。基于这些理论预测，我们尝试构筑Ti₃CNCl₂@CoS₂核-壳纳米结构。正如预期，Ti₃CNCl₂@CoS₂呈现出比单独的CoS₂和Ti₃CNCl₂更优异的HER活性，在10 mA·cm^-2时，其过电位为175 mV，Tafel斜率为89 mV·dec^-1。这是由于具有良好的催化活性CoS₂纳米颗粒和高导电性的Ti₃CNCl₂纳米片构成的核壳纳米结构引起的快速电荷转移。通过DFT计算分析了Ti₃CNCl₂@CoS₂核壳纳米结构的电子微观结构，包括态密度 (DOS) 分析、电子局域函数 (ELF) 映射和电荷密度差 (CDD) 谱。这些结果证实了界面电荷从Ti₃CNCl₂纳米片转移到CoS₂纳米颗粒，表面/界面原子的电子局域存在明显的不对称偏转。本研究从理论和实验两方面有力地证明了以Cl端基MXenes作为促进剂，所构成的核-壳纳米结构可以显著提高CoS₂的HER活性，这对于未来设计和构建高效HER复合催化剂具有重要指导意义。。

图1 (a) 和 (b) 分别为Ti₃CNCl₂@CoS₂覆盖H原子之前和之后的构型图；(c) Ti₃CNCl₂, CoS₂和Ti₃CNCl₂@CoS₂的氢吸附吉布斯自由能 (ΔG_H)；(d) Ti₃CNCl₂@CoS₂核壳结构模型图。

图2 Ti₃CNCl₂@CoS₂核壳结构制备流程示意图。

图3 (a) 和 (b) 分别代表Ti₃CNCl₂@CoS₂核壳纳米结构的三维和二维电荷密度差分图；(c) Ti₃CNCl₂@CoS₂核壳纳米结构的电子局域函数；(d) CoS₂, Ti₃CNCl₂@CoS₂的态密度图。

江吉周，武汉工程大学特聘教授。新加坡国立大学博士后；南洋理工大学访问学者；湖北省“高层次人才计划”入选者；湖北省首批中小微企业“科技副总”入选者。研究方向为新型二维材料的制备及其在光/电催化、光/电器件等方面的应用究。现已主持国家自然科学基金项目、湖北省自然科学基金项目等多项纵向项目，取得了一些创新性的研究成果，在Chemical Society Reviews (2篇正封面论文，影响因子54.564)、npj 2D Materials and Applications (Nature 旗下期刊)、iScience (Cell 子刊)、Journal of Materials Chemistry A (封面论文)、Advanced Functional Materials等国内外权威学术期刊上发表了100多篇论文；任《Carbon Letters》副主编，《粉末冶金材料科学与工程》和《聊城大学学报(自然科学版)》的青年编委，以及Chemical Society Reviews、ACS Nano等知名期刊的审稿专家。

邹菁，二级教授，博士生导师，武汉工程大学学科带头人。主要研究方向为纳米光电催化新材料的设计、制备及在新能源、传感、环境污染物降解等方面的应用。目前已主持了国家自然科学基金面上项目、中央引导地方科技发展专项资金项目等10余项纵向项目；荣获了湖北省科技进步二等奖2项，三等奖4项，15个授权发明专利，成果转化产生了显著的经济效益。同时在Chemical Society Reviews、 Nano Research (卓越计划-领军期刊)、Journal of Materials Science & Technology (卓越计划-重点期刊)、Chinese Journal of Catalysis (卓越计划-重点期刊) 等国内外权威学术期刊上发表了100余篇论文。

J. Jiang, S. Bai, M. Yang, et al. Strategic design and fabrication of MXenes-Ti₃CNCl₂@CoS₂ core–shell nanostructure for high-efficiency hydrogen evolution. Nano Research. https://doi.org/10.1007/s12274-022-4276-8.

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