研究速覽

■?近日，上海大學(xué)趙宏濱教授和葉代新副研究員，在國(guó)際知名期刊Chemical Engineering Journal上發(fā)表題為“Three-dimensional Nitrogen-doped MXene as Support to Form High-performance Platinum Catalysts for Water-Electrolysis to produce Hydrogen”的研究論文。該論文采用模板法，合成了用于錨定超細(xì)Pt納米顆粒的三維氮摻雜MXene催化劑載體，所制備的催化劑具有優(yōu)異的電催化析氫性能。其中，三維氮摻雜MXene表面均勻分布的摻雜氮和氧與Pt的配位效應(yīng)有效地錨定了超細(xì)Pt納米顆粒和優(yōu)化了其電子結(jié)構(gòu)，使得其表現(xiàn)出優(yōu)異的HER活性。

Part1

▉? 研究摘要? ▉

■?制備高性能低成本的電解水產(chǎn)氫催化劑是清潔能源發(fā)展的重要技術(shù)之一。MXene憑借其高導(dǎo)電性、層狀結(jié)構(gòu)、易分散性以及成膜性，被認(rèn)為是一種具有良好的電催化應(yīng)用前景的二維材料。然而，MXene及其類似物的本征活性并不理想，使其在電催化產(chǎn)氫反應(yīng)中往往需要復(fù)雜的后續(xù)處理，提高了材料整體的制備成本；且其表面官能團(tuán)容易在電催化中產(chǎn)生變化，最終造成材料的穩(wěn)定性大大降低。富氮二維過(guò)渡金屬氮化物-氮烯（nitridene），由于具有獨(dú)特的物理、化學(xué)性質(zhì)，因此是一類具有良好前景的析氫電催化劑。但是氮烯的生長(zhǎng)動(dòng)力學(xué)非常慢，使其合成及其困難。

■?鑒于此，上海大學(xué)趙宏濱教授課題組采用3D氮摻雜Ti3C2Tx MXene（縮寫為N-Ti3C2）作為催化劑載體，通過(guò)化學(xué)還原方法將超細(xì)Pt 納米顆粒錨定于氮摻雜Ti3C2Tx表面，制備了Pt@N-T催化劑。2D少層Ti3C2Tx通過(guò)超聲剝離多層Ti3C2Tx制備的，然后通過(guò)采用聚合三聚氰胺甲醛球 (MFS) 來(lái)制備3D片層N-Ti3C2載體，MFS 既作為調(diào)控形貌的模板又可以作為摻雜氮源，其可有效地調(diào)控Ti3C2Tx的2D層狀形貌，從而產(chǎn)生N-Ti3C2的三維褶皺形貌，氮摻雜可調(diào)控N-Ti3C2的電子態(tài)密度，使其更有利于超細(xì)Pt 納米顆粒的錨定。所制備的Pt@N-T催化劑的褶皺形貌可以減少N-Ti3C2層之間的聚集和堆疊，進(jìn)一步擴(kuò)大其比表面積。由于N-Ti3C2和Pt表面富電子氧和摻雜氮之間的配位作用，可以進(jìn)一步優(yōu)化Pt的電子態(tài)密度，進(jìn)而調(diào)控其對(duì)于反應(yīng)中間產(chǎn)物的吸脫附特性。所得的Pt@N-T催化劑表現(xiàn)出優(yōu)異的電催化HER活性和高穩(wěn)定性，可與商業(yè)Pt/C相媲美。此外，所得催化劑在制氫裝置中也表現(xiàn)出優(yōu)異的性能。通過(guò)將Pt@N-T作為陰極催化劑，IrO2/C作為陽(yáng)極催化劑的組裝的電解池，該電解池在實(shí)際制氫過(guò)程中表現(xiàn)出高達(dá)95.1%的法拉第效率。

Part2

▉? 研究要點(diǎn)1? ▉

■?作者使用模板法制備了3D氮摻雜Ti3C2Tx，并將其作為錨定超細(xì)Pt納米顆粒的載體，經(jīng)過(guò)模板調(diào)控后的N-Ti3C2呈現(xiàn)3D褶皺形貌，其可有效緩解MXene層間堆疊聚集，錨定于其表面的Pt納米顆粒的平均粒徑約為3.5nm。

▉? 研究要點(diǎn)2? ▉

■?通過(guò)調(diào)控氮摻雜量，對(duì)比無(wú)摻雜的Ti3C2Tx與N-Ti3C2，作者發(fā)現(xiàn)Pt@N-T表現(xiàn)出較為優(yōu)異的HER催化性能，這得益于N-Ti3C2表面均勻的N和O與Pt之間的配位效應(yīng)錨定超細(xì)Pt納米顆粒的同時(shí)又確保了Pt納米顆粒的均勻分布，載體與Pt之間的配位效應(yīng)還有利于調(diào)控該催化劑的電子構(gòu)型進(jìn)而優(yōu)化其氫吸附吉布斯自由能，進(jìn)而使得其具有高效的HER催化活性和穩(wěn)定性。

▉? 研究要點(diǎn)3? ▉

■?得益于其高效的HER催化性能，進(jìn)一步聯(lián)接氣相色譜儀測(cè)試了其產(chǎn)氫性能。又通過(guò)理論計(jì)算證明了氮摻雜對(duì)于HER催化性能提升的貢獻(xiàn)。

Part3

▉? 研究總結(jié)? ▉

作者通過(guò)使用簡(jiǎn)便且經(jīng)濟(jì)高效的方法成功合成了Pt@N-T電催化劑。具有3D形貌的N-Ti3C2納米片材料作為催化劑載體，其中Pt納米顆粒與載體上的 N 和 O 配位且均勻分散。具有3D納米片可以有效地緩解具有良好導(dǎo)電性的N-N-Ti3C2納米片的堆疊和聚集。超細(xì)的 Pt 納米顆粒均勻錨定于 N-Ti3C2表面，制備了Pt@N-Ti3C2 催化劑，在 10 mA cm-2 的電流密度下其具有 11 mV 的低過(guò)電位，高質(zhì)量活性。穩(wěn)定性測(cè)試表明，該催化劑的HER活性經(jīng)長(zhǎng)時(shí)間循環(huán)測(cè)試后，幾乎無(wú)催化性能衰減，證明了其優(yōu)異的穩(wěn)定性。此外，在電解水電解池中，Pt@N-T催化劑的單位電能消耗H2產(chǎn)率比商用Pt/C高10.1%。具有高達(dá)95.1%的法拉第效率。這項(xiàng)工作為MXene材料用作設(shè)計(jì)高效HER電催化劑提供了一些思考的方向。

文章鏈接：https://doi.org/10.1016/j.cej.2022.137443