Small｜原位电合成高效MAX衍生物作为高效析氢反应催化剂
具有高导电性、亲水性、大比表面积和可调表面特性的二维过渡金属碳化物或氮化物（MXenes）在电催化领域显示出巨大的潜力。目前MXenes最广泛的制备方法是用HF或LiF+HCl刻蚀MAX相的A层原子（A为Ⅲ、Ⅳ主族元素）。尽管在表面官能团为O或OH基团的前提下，理论预测证实一些纯MXenes是很有前途的HER催化剂。然而，实验结果显示纯MXenes的催化活性较差，一般是由于对前驱体MAX相进行湿法化学腐蚀制备MXenes过程中引入了F、Cl等表面官能团。此外，活性较高的单层MXenes通常需要插层剂来实现超声剥离。氢氟酸和插层剂的大量使用，不可避免地引起人们对实验室安全和人体健康的关注。
为了克服这一瓶颈，研究人员也在积极探索各种不含氟MXenes制备的温和策略，但后续的纯化程序不可避免地会带来麻烦。然而，尽管衍生的MXenes在电催化领域的应用层出不穷，但关于MAX本身的电化学性能的研究却鲜有报道。在此，首次通过两步原位电化学合成的方法系统地研究和改善了了MAX的自身HER性能。
西安交通大学阙文修教授团队以MXene前驱体Mo2TiAlC2 MAX（一种双过渡金属陶瓷相）为研究对象，利用原位电化学刻蚀法预处理MAX电极，在0.5 M H2SO4电解液中施加阳极电流电化学刻蚀Mo2TiAlC2 MAX相，只需几个小时，就可以获得较低的HER性能，优于大多数报道的纯MXene。这是由于在MAX表面构建了一层非晶碳化物MAC，提高了MAX的内在催化活性。此外利用非原位XPS揭示了MAX表面衍生的表面MAC的形成机制与腐蚀机理。而后引入高活性的Pt纳米粒子与电化学刻蚀后碳化物MAC的表面构建异质复合界面，从而实现了稳定的大电流电催化HER性能。
该成果在线发表于国际顶级期刊 Small (影响因子15.153) 上，题目为：In Situ Electrosynthesis of MAX-Derived Electrocatalysts for Superior Hydrogen Evolution Reaction。
盛敏豪为本文第一作者。
图1. 电化学合成MAC@Pt示意图。
图2. MAC的结构表征。(a) MAC 1 V 4 h的TEM图片。(b) MAC 1 V 4 h的HRTEM图片。(c) MAC 1 V 4 h的HAADF-STEM图片以及元素轮廓图。(d) MCC和0.5-1.5 V 4 h MAC的拉曼光谱。(e) MCC和0.5-1.5 V 4 h MAC的XPS。(f) Mo 3d高分辨XPS。(g) Ti 2p高分辨XPS。(h) Al 2p高分辨XPS。(i) C 1s高分辨XPS。
图3. MAC电化学性能。(a) LSV曲线。(b) Tafel斜率。(c) Cdl值。(d) 电化学阻抗谱。
图4. MAC@Pt结构表征。(a) XRD图。(b) MAC@Pt 1000的SEM图。 (c) MAC@Pt 1000的HETEM图。(d) MAC@Pt 1000的HAADF–STEM图。(e) MAC@Pt 1000的Pt 4f高分辨XPS。
图5. MAC@Pt电化学数据。(a) LSV曲线。(b) Tafel斜率。(c) Cdl值。(d) 电化学阻抗谱。(e) 质量活性。(f) 循环稳定性。
总之，MAX衍生电催化剂MAC@Pt是通过两步原位电化学合成（电化学蚀刻和电化学沉积）。在酸性溶液中，MAC提供了令人满意的299 mV HER过电位，优于大多数报道的MXenes。再通过电化学沉积将少量的铂纳米颗粒锚定在MAX衍生的非晶碳化物MAC上，进一步调整了质子吸附速率限制步骤，获得优异的HER性能（40 mV过电位和24.95 mV dec−1 Tafel斜率）。
文献链接
https://doi.org/10.1002/smll.202203471
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