在工业废水处理与海水淡化领域，氯离子（Cl−）的去除一直是关键挑战。高浓度Cl−不仅会导致土壤盐碱化，还会严重腐蚀不锈钢设备，威胁生态安全与工业生产。电容去离子（CDI）技术因其高效、低能耗、环境友好等优势而备受关注，但其性能很大程度上取决于电极材料的设计。银（Ag）基复合材料虽具有优异的Cl−选择性和高理论容量，却在反复的脱氯过程中面临严重的体积膨胀及循环稳定性差的问题；此外，Ag纳米颗粒与导电基体间往往是通过物理复合形成的弱界面接触，缺乏有效的电荷转移通道，界面处的高阻抗严重制约了Ag活性位点的利用效率，进而限制了脱氯性能的进一步提升。
针对上述挑战，西安交通大学张淼教授团队联合瑞典斯德哥尔摩大学袁家寅教授、南京理工大学李健生教授提出了一种原位刻蚀-还原新策略。该研究通过界面精准设计成功在多孔MXene（HMX）表面构建了Ag单原子（SAs）与纳米颗粒（NPs）的共价桥接界面，实现了高效、稳定的电化学脱氯。利用MXene表面还原性的低价Ti物种与Ag+之间的自发氧化还原反应，在Ag NPs与MXene界面形成Ag−C/O化学键的同时制造丰富面内孔道。这些共价键可作为电子桥梁促进Ag NPs与HMX之间的定向电子转移，显著增强法拉第脱氯动力学；原位刻蚀形成的MXene面内纳米孔和层间通道构筑了三维互联离子传输网络，大幅提升Cl−扩散效率；HMX作为导电骨架和柔性缓冲层，有效抑制Ag NPs在吸脱附过程中的体积膨胀。优化后的i-HMX@Ag20自支撑电极在1.4 V电压下展现出高达156.63 ± 2.6 mg g−1的优异脱氯容量，在50次循环后容量保持率超过90%，在实际应用验证中，利用三级串联CDI系统对自来水和循环冷却水进行处理后均达到国家水质标准。该工作提出的共价界面设计理念，为高性能脱氯电极的开发提供了新思路，也为其他金属/MXene复合体系的界面工程提供了通用策略。相关论文以“Covalent Ag-holey MXene link at interface boosting electrochemical dichlorination”为题，发表在国际顶级期刊Nature Communications上。西安交通大学张颢助理教授为论文第一作者，西安交通大学张淼教授、斯德哥尔摩大学袁家寅教授、南京理工大学李健生教授为论文共同通讯作者。
研究团队首先利用MXene表面低价钛物种（Ti2+/Ti3+）的还原性，与Ag+发生自发氧化还原反应，同步实现了Ag的原位沉积和MXene面内孔道的构造（图1a）。通过系统优化Ag+投加量精准调控原位刻蚀-还原反应动力学，Ag首先以SAs形式锚定在MXene的Ti空位上，随后这些单原子作为“生长支点”，引导Ag NPs的成核与生长，同时在MXene纳米片面内形成纳米孔洞。图1b-d清晰显示了所得i-HMX@Ag20中大量的面内纳米孔洞和均匀锚定的Ag SAs和NPs，且原位刻蚀-还原过程未破坏MXene的晶格完整性和片状结构。随着Ag+用量的增加，HMX面内孔洞和Ag NPs颗粒的密度与尺寸逐渐增大，Ag的特征信号逐渐变强（图1e），纳米片层间距也明显扩大（图1f），薄膜厚度和电导率（图1g）随Ag+用量的增加呈火山型变化趋势。优化后的i-HMX@Ag20薄膜具有均匀的元素分布、规整的层状结构以及良好的柔韧性（图1h-k）。图1从宏观到原子尺度全面证实了原位刻蚀-还原策略成功实现了Ag在MXene上的均匀负载和面内孔道的可控构筑。
图1 原位刻蚀-还原策略制备i-HMX@Agx杂化材料的反应机制及结构转化过程解析。
图2通过XPS、XAFS和DFT计算，从实验和理论两个层面系统证实了Ag与HMX之间的共价键合与界面电荷重排。Ti 2p XPS谱（图2a）显示，i-HMX@Ag20的Ti 2p峰向低结合能方向偏移，而物理混合的HMX/Ag则无此偏移，表明Ag与HMX之间发生了界面电子转移，且这种电子相互作用仅存在于共价键合的原位样品中。Ag 3d XPS谱（图2b）进一步证实了Ag0和Ag+的共存。XAFS分析（图2c-g）直接证明了i-HMX@Ag20中Ag的平均氧化态高于物理混合的HMX/Ag样品，Ag与HMX表面的C/O原子形成了共价键，且界面诱导的晶格畸变导致了键长伸长。DFT计算（图2h）显示，共价接触模型的形成能（−4.80 eV）远低于非共价接触模型（−2.97 eV），进一步从理论角度证明了共价键合在热力学上的显著优势。
图2 i-HMX@Ag20界面键合结构改变及其化学态与电子结构解析。
图3系统评估了i-HMX@Ag20薄膜电极的电化学性能，从多个维度证实了共价界面带来的性能提升。i-HMX@Ag20在不同扫描速率下都表现出最高的比电容（图3a-d），其电荷转移电阻（0.75 Ω）远低于HMX/Ag（2.21 Ω）和MXene（11.39 Ω），同时Warburg因子最低、离子扩散系数最高（2.88×10−9 cm2 s−1，约为MXene的6.5倍）（图3e, f），证实了共价界面大幅提升了电荷转移效率和离子扩散动力学。i-HMX@Ag20的b值（阳极峰0.62，阴极峰0.75）介于0.5和1.0之间，表明电容行为和扩散行为共存（图3g），其电容贡献随扫速增加从66.3%增至75.5%（图3h, i）。这些电化学结果表明，共价Ag-HMX界面不仅降低了电荷转移电阻，还优化了离子扩散路径，实现了赝电容离子插层与法拉第反应的高效协同脱氯。
图3 共价Ag-HMX界面对电荷存储动力学和容量的显著增强。
图4展示了i-HMX@Ag20在CDI脱氯中的综合性能及实际应用潜力。在1.2 V电压下，i-HMX@Ag20的脱氯容量达到133.34 ± 4.4 mg g−1，远超HMX/Ag（90.44 ± 1.2 mg g−1）和MXene（40.87 ± 2.7 mg g−1），体现了共价界面和孔道结构的协同优势（图4a, b）。在1.0-1.4 V范围内，脱氯容量随电压升高而增加，同时电荷效率维持在约90%的高水平（图4c），表明共价界面有效抑制了高压下的副反应。与已报道CDI脱氯材料相对比，i-HMX@Ag20具有显著的综合性能优势（图4d, e），且其在50次循环后容量保持率超过90%（图4f）。i-HMX@Ag20对不同阳离子都表现出较好的CDI吸附效果，其吸附容量和能耗与离子半径和水合能高度相关（图4g）。将多个CDI系统进行串联分别对实际自来水（图4h）和循环冷却水（图4i）进行处理后，出水分别满足国家饮用纯净水标准和工业补充水标准，证明了i-HMX@Ag20电极从实验室性能到实际应用潜力的全链条验证。
图4 i-HMX@Ag20电化学脱氯性能测试及其实际应用潜力验证。
图5通过多种非原位表征和DFT计算，深入揭示了脱氯增强的微观机理。非原位电化学XRD和XPS图谱揭示了充放电过程中材料结构和化学态的演变轨迹，证实了Cl−在HMX层间的可逆插层和Ag与AgCl之间的可逆相转变（图5a-e）。差分电荷密度图（图5f, g）显示，Cl在Ti3C2O2表面吸附时几乎没有电荷重分布（Eads = 0.08 eV），而在Ti3C2O2/Ag表面吸附时电荷主要积聚在Cl原子周围和Ag位点处（Eads = −2.03 eV），但电荷重分布局限于Ag原子周围，未能充分利用MXene的导电性。Cl在Ti3C2O2@Ag表面有四种稳定吸附构型，其中位点IV（同时键合Ag和表面氧空位）的吸附能最低（−2.28 eV），反映了共价键和氧空位协同作用对Cl吸附的显著促进（图5h-j）。根据以上结果系统总结了电化学脱氯过程，首先Ag NPs通过Ag SAs共价桥接在HMX表面，充电时Ag失去电子变为Ag+并与Cl−结合生成AgCl，同时Cl−嵌入HMX层间；氧空位暴露的不饱和Ti原子可作为额外活性位点，进一步促进Cl−的富集与吸附，实现了法拉第反应与离子插层的高效协同脱氯。
图5 吸脱附过程中的结构转变解析与电化学协同脱氯机制。
总而言之，该工作通过巧妙的原位刻蚀-还原策略，在原子尺度上实现了Ag与MXene的共价界面桥接，同时构建了多孔离子传输通道，一举解决了银基电极材料在CDI脱氯中长期面临的界面电荷转移慢、结构不稳定等瓶颈问题。这种共价界面设计理念，将Ag SAs作为“生长支点”和“电子桥梁”，实现了从物理混合的弱接触到共价键合的强耦合的跨越，为金属/二维材料复合体系的界面工程提供了全新思路。该策略的成功实施不仅依赖于MXene表面丰富的缺陷位点和还原性钛物种所提供的化学锚定位点，更得益于对Ag生长动力学的精准调控，从SAs到NPs的可控演变确保了共价界面在复合材料的各个尺度上得以稳定构筑。这一原子级界面调控思路同样适用于其他金属与二维材料的复合体系，为电化学水处理、能源存储、电催化、传感检测等多个领域的功能材料设计提供了可借鉴的方法论。
原文链接：
https://doi.org/10.1038/s41467-026-75560-1
作者简介：
张颢，西安交通大学化学学院助理教授，2024年1月博士毕业于南京理工大学环境与生物工程学院，2022-2023年于瑞典斯德哥尔摩大学进行博士联合培养。研究方向为导电二维材料的制备及电容去离子技术应用。迄今为止，发表论文40余篇，被引用2300余次，H因子25（Google scholar统计）。以第一及通讯作者在Nat. Commun.、Angew. Chem. Int. Ed.、Small、J. Mater. Chem. A、Chin. J. Chem.等国际期刊发表论文10余篇。主持国家自然科学基金青年项目（C类）。
张淼，西安交通大学化学学院教授，国家高层次青年人才计划入选者，西安交通大学“青年拔尖人才”A类。于清华大学化学系获得博士学位，先后在清华大学，瑞典斯德哥尔摩大学从事博士后研究。长期致力于低维导电纳米材料在能源和环境领域的基础和应用研究，具体围绕导电高分子、聚离子液体、化学修饰石墨烯以及二维过渡金属碳/氮化合物（MXene）在仿生纳米复合膜材料、高频储能薄膜电极和功能性水处理分离膜领域的应用。在多孔MXene研究方面取得了系列创新成果，相关论文发表于Angew. Chem. Int. Ed. 2026, 65, e9523099、ACS Nano 2024, 18, 3707–3719、Small 2024, 20, 2403518、Small 2026, 22, e14895等。迄今在Adv. Mater.、Angew. Chem. Int. Ed.、Nat. Commun.、Energy Environ. Sci.等具有国际影响力的学术期刊上发表研究论文90余篇，引用9500余次，H因子43。
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