氯气在全球化学工业中起着关键作用。它被广泛应用于许多工业部门，包括消毒产品生产和废水处理。在工业中，氯演化反应（CER）是氯碱电解过程中的关键阳极反应。目前，由钛金属基板和贵金属氧化物涂层（RuO₂和IrO₂）组成的所谓尺寸稳定阳极（DSA）成为CER中最常用的电催化剂。DSA通常对CER通常表现出几乎100%的选择性。然而，贵金属的广泛使用（即1.14 mg Ru+Ir cm^-2）限制了它们的传播。特别是，RuO₂的摩尔比应至少为30%，以确保高电流密度超过100 mA cm^-2。因此，开发具有低成本、高催化活性、耐久性、适合在高盐酸性介质中在高电流密度下工作的CER催化剂仍然是一个挑战。

为了解决这些挑战，并在高电流密度条件下提高催化活性，可以采用以下策略。首先，提高电极的力学稳定性是一个关键。这可以通过加强电催化剂-支撑相互作用，同时减少电催化剂-气泡界面力来实现。其次，异质结表面的形成是一种有效的策略，促进电子再分配，调节反应中间吸附能，增强内在催化剂活性。

增强电催化剂在载体上的粘附性的最常见的方法是使用粘结剂（如Nafion）。但它通常不能提供足够的附着力来承受气泡的轰击，并能阻断活性位点，降低离子电导率。为了避免这些副作用，可以制作不含粘合剂的自支撑电极。这些自支撑电极能够促进气泡的释放，并尽量减少电催化剂与气泡的粘附。例如，Duraisamy等人报告了高效双功能电催化剂NH₂-MIL-88B（Fe₂Ni）金属有机框架（MOF）在三维大孔镍泡沫（NF）上生长。即使在高电流密度（500 mA cm^-2，η = 360 mV）下，也表现出高活性。其次，强氧化物载体相互作用（SOSI）已被报道为合成高活性和耐久性催化剂的有效策略。RuO₂因其优异的催化活性而被广泛应用于CER中。Kai S等人报道，RuO₂（110）上的单层二氧化钛（110）对氯演化反应的选择性显著提高了几个数量级，而仍具备CER的高活性。Karlsson等报道，Ru掺杂二氧化钛（Ru_0.3Ti_0.7O₂）的不饱和Ti位点可以提高CER的活性和选择性。因此，构建具有TiO₂/RuO₂异质结的自支撑电极可以实现高效的氯演化反应。然而，如何建立含异质结的自支承电极来实现高效的氯演化反应仍然是一个挑战。

青岛科技大学王磊、李彬课题组提出了利用MXene表面丰富的官能团，成功地将其锚定在碳布表面，构建了一个包含多金属锚定位点的三维骨架（MXene@CC）。首先，在水热过程中，带正电荷的Ru³⁺通过静电相互作用被吸附在带负电荷的MXene表面。随着Ru离子的沉积，Ru³⁺的氧化形成了水的RuO₂纳米颗粒，而部分MXene在相同的过程中被氧化成二氧化钛。退火过程不仅增强了TiO₂和RuO₂之间的相互作用，而且还增强了样品的稳定性。最终，该过程产生了一个具有多异质结的自支撑电极，表示为RuTiO₂/MXene@CC。RuTiO₂/MXene@CC电极具有良好的亲水性和较弱的电催化剂-气泡粘附力，有效地避免了电催化剂的剥离，提高了在高电流密度下的反应动力学。在MXene/TiO₂/RuO₂异质结处的电子再分布降低了RuO₂的电子密度，增强了对Cl^-的吸附，提高了样品的本征活性。因此，RuTiO₂/MXene@CC电极具有优越的CER性能，其较小的过电位为220 mV，可达到1000 mA cm^-2。本研究为合理设计和开发高电流密度陶瓷电催化剂的研究提供了参考。

图1 RuTiO₂/MXene@CC的合成示意图

图4 RuTiO₂/MXene@CC在4M NaCl（Ph=2）电解质中的CER催化性能分析图

Duan Y, Wei L, Cai C, et al. RuO₂/TiO₂/MXene with multi-heterojunctions coating on carbon cloth for high-activity chlorine evolution reaction at large current densities. Nano Research, 2024, https://doi.org/10.1007/s12274-024-6419-6.