【电催化】 | 氮掺杂MXene作Pt基催化剂载体用于高效电催化析氢

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研究速览

■ 近日，上海大学赵宏滨教授和叶代新副研究员，在国际知名期刊Chemical Engineering Journal上发表题为“Three-dimensional Nitrogen-doped MXene as Support to Form High-performance Platinum Catalysts for Water-Electrolysis to produce Hydrogen”的研究论文。该论文采用模板法，合成了用于锚定超细Pt纳米颗粒的三维氮掺杂MXene催化剂载体，所制备的催化剂具有优异的电催化析氢性能。其中，三维氮掺杂MXene表面均匀分布的掺杂氮和氧与Pt的配位效应有效地锚定了超细Pt纳米颗粒和优化了其电子结构，使得其表现出优异的HER活性。

Part1

▉  研究摘要  ▉

■ 制备高性能低成本的电解水产氢催化剂是清洁能源发展的重要技术之一。MXene凭借其高导电性、层状结构、易分散性以及成膜性，被认为是一种具有良好的电催化应用前景的二维材料。然而，MXene及其类似物的本征活性并不理想，使其在电催化产氢反应中往往需要复杂的后续处理，提高了材料整体的制备成本；且其表面官能团容易在电催化中产生变化，最终造成材料的稳定性大大降低。富氮二维过渡金属氮化物-氮烯（nitridene），由于具有独特的物理、化学性质，因此是一类具有良好前景的析氢电催化剂。但是氮烯的生长动力学非常慢，使其合成及其困难。

■ 鉴于此，上海大学赵宏滨教授课题组采用3D氮掺杂Ti3C2Tx MXene（缩写为N-Ti3C2）作为催化剂载体，通过化学还原方法将超细Pt 纳米颗粒锚定于氮掺杂Ti3C2Tx表面，制备了Pt@N-T催化剂。2D少层Ti3C2Tx通过超声剥离多层Ti3C2Tx制备的，然后通过采用聚合三聚氰胺甲醛球 (MFS) 来制备3D片层N-Ti3C2载体，MFS 既作为调控形貌的模板又可以作为掺杂氮源，其可有效地调控Ti3C2Tx的2D层状形貌，从而产生N-Ti3C2的三维褶皱形貌，氮掺杂可调控N-Ti3C2的电子态密度，使其更有利于超细Pt 纳米颗粒的锚定。所制备的Pt@N-T催化剂的褶皱形貌可以减少N-Ti3C2层之间的聚集和堆叠，进一步扩大其比表面积。由于N-Ti3C2和Pt表面富电子氧和掺杂氮之间的配位作用，可以进一步优化Pt的电子态密度，进而调控其对于反应中间产物的吸脱附特性。所得的Pt@N-T催化剂表现出优异的电催化HER活性和高稳定性，可与商业Pt/C相媲美。此外，所得催化剂在制氢装置中也表现出优异的性能。通过将Pt@N-T作为阴极催化剂，IrO2/C作为阳极催化剂的组装的电解池，该电解池在实际制氢过程中表现出高达95.1%的法拉第效率。

Part2

▉  研究要点1  ▉

■ 作者使用模板法制备了3D氮掺杂Ti3C2Tx，并将其作为锚定超细Pt纳米颗粒的载体，经过模板调控后的N-Ti3C2呈现3D褶皱形貌，其可有效缓解MXene层间堆叠聚集，锚定于其表面的Pt纳米颗粒的平均粒径约为3.5nm。

图1. 对Pt@N-t催化剂进行形貌和结构分析。

▉  研究要点2  ▉

■ 通过调控氮掺杂量，对比无掺杂的Ti3C2Tx与N-Ti3C2，作者发现Pt@N-T表现出较为优异的HER催化性能，这得益于N-Ti3C2表面均匀的N和O与Pt之间的配位效应锚定超细Pt纳米颗粒的同时又确保了Pt纳米颗粒的均匀分布，载体与Pt之间的配位效应还有利于调控该催化剂的电子构型进而优化其氢吸附吉布斯自由能，进而使得其具有高效的HER催化活性和稳定性。

图 2. HER电化学性能测试与对比。

▉  研究要点3  ▉

■ 得益于其高效的HER催化性能，进一步联接气相色谱仪测试了其产氢性能。又通过理论计算证明了氮掺杂对于HER催化性能提升的贡献。

图 3. 高效产氢测试。

图 4. 理论模拟计算。

Part3

▉  研究总结  ▉

作者通过使用简便且经济高效的方法成功合成了Pt@N-T电催化剂。具有3D形貌的N-Ti3C2纳米片材料作为催化剂载体，其中Pt纳米颗粒与载体上的 N 和 O 配位且均匀分散。具有3D纳米片可以有效地缓解具有良好导电性的N-N-Ti3C2纳米片的堆叠和聚集。超细的 Pt 纳米颗粒均匀锚定于 N-Ti3C2表面，制备了Pt@N-Ti3C2 催化剂，在 10 mA cm-2 的电流密度下其具有 11 mV 的低过电位，高质量活性。稳定性测试表明，该催化剂的HER活性经长时间循环测试后，几乎无催化性能衰减，证明了其优异的稳定性。此外，在电解水电解池中，Pt@N-T催化剂的单位电能消耗H2产率比商用Pt/C高10.1%。具有高达95.1%的法拉第效率。这项工作为MXene材料用作设计高效HER电催化剂提供了一些思考的方向。

文章链接：https://doi.org/10.1016/j.cej.2022.137443

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