武汉理工《AFM》：将亚纳米Pt团簇锚定在MXene实现高析氢活性

随着社会的快速发展，能源问题日益受到关注。由于化石燃料的不可持续发展以及风能、潮汐能和太阳能的局限性，氢能以其较高的热值和环境友好性成为最有前途的技术之一。析氢反应(HER)是电化学分水反应的一部分。与析氧反应相比，HER具有更快的动力学和更低的过电位。铂(Pt)基电催化剂是析氢反应(HER)的基准催化剂，但因其稀缺性和价格昂贵而受到限制。引入合适的底物分散和锚定铂基物种是提高其利用率的可行途径。

来自武汉理工大学的学者提出了一种快速、连续的喷雾干燥工艺来制备负载亚纳米铂团簇的三维褶皱Ti3C2Tx MXene(Pt/MXene)。三维褶皱结构抑制了层状MXene纳米片的重新堆积，并保证了Pt团簇的充分暴露。所制备的催化剂具有与工业Pt/C相当的优异的HER性能，包括低过电位34 mV，达到10 mA cm−2的电流密度，优良的质量活性(1847 mA mgPt−1)，小的塔菲尔斜率(29.7 mV dec−1)和高的循环频率(10.66 H2 s−1)。密度泛函理论计算表明，Pt/Mxene活性的提高可以归因于Pt团簇向Mxene的电荷转移削弱了氢的吸附。本研究提出了一种新的策略，将低质量负载量的亚纳米贵金属团簇锚定在具有完全暴露的催化活性中心的皱缩的MXene上。相关文章以“Anchoring Sub-Nanometer Pt Clusters on Crumpled Paper-Like MXene Enables High Hydrogen Evolution Mass Activity”标题发表在Advanced Functional Materials。

论文链接：

https://doi.org/10.1002/adfm.202110910

图1.a)制备Pt/MXene的示意图。b)Pt/MXene的SEM图像。c，d)Pt/MXene的HAADF-STEM图像和e)EDX元素映射图。

图2.a)Ti3AlC2、F-Ti3C2Tx、S-Ti3C2Tx和Pt/Mxene的XRD图谱。b)放大X射线衍射图显示2θ区域从5°到10°。c)Pt/Mxene和S-Ti3C2Tx的拉曼光谱。d)Pt/Mxene的Pt 4f XPS谱。e)Pt/Mxene、Pt箔和PtO2的归一化Pt L3-edge X射线能谱和f)FT K3χ(R)Pt L3-edgeEXAFS谱。

图3. a)MXene、Pt/MXene和Pt/C的极化曲线。b)MXene、Pt/MXene和Pt/C在J10和J100的比活度。c)Pt/Mxene和Pt/C的质量活度。d)由(a)导出的Tafel斜率。e)Mxene、Pt/Mxene和Pt/Mxene的双电层电容(CDL)图。f)Mxene和Pt/Mxene的EIS谱。

图4.a)Pt和Pt/TICO-F的PDOS。b)Pt/TiCo-F和Pt的粘结剂电荷分布。c)计算了Pt/TiCo、Pt(111)、TiCo和Pt/TiCo-F上的析氢自由能图。

综上所述，本文构建了一种高效的Pt/MXeneHER电催化剂，其特征是亚纳米Pt团簇固定在三维皱缩的纸状MXene上。当铂负载量为2.9 wt%时，得到的Pt/MXene催化剂的过电位和Tafel斜率与铂负载量为20 wt%的商用Pt/C催化剂相当。此外，在50 mV的过电位下，Pt/Mxene的质量活度为1847 mA mgPt−1，是商用Pt/C的7倍。密度泛函计算表明，氧和氟的端基使Pt向Mxene转移电子，削弱了氢在Pt上的吸附，促进了氢在Pt上的脱附。本研究为低铂催化剂的合理设计提供了依据。（文：SSC）

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