MXene超薄纳米片高效析氢-氟基官能团

【研究背景】

      传统矿物燃料的消耗和严重的环境问题导致我们迫切需要一种新形式的绿色和可再生能源。在这情况下，氢被认为是一个有希望解决这些问题的理想选择，因为它丰富的储量和清洁，研究人员已作出巨大的努力来寻求可持续的和有效的方法来生产氢。近年来，电催化水分解技术得到了前所未有的发展，被认为是最有潜力的制氢方法之一。一般来说，最好的析氢反应电催化剂通常以铂或其他贵金属为原料，但其昂贵的价格和有限的资源限制了其实际的市场应用。近年来，人们探索了许多铂基电催化剂的替代品，如过渡金属硫化物、硼化物、磷化物、碳化物以及氮化物。然而，它们的电催化性能仍然低于最先进的HER催化剂。因此，设计一种简单有效的获得高活性无贵金属催化剂的策略将对氢能源的发展起到至关重要的作用。

【成果简介】

       中国科学技术大学谢毅院士团队发表在Nano Energy的：超薄含F基官能团MXene片层实现高效电化学产氢。关于MXene电催化活性和活性位点的研究并不是很多。这里提出一种充满氟基的单层Ti2CTx来获得反应性和反应位点数量的协同。对这种材料的理论计算和电化学测试表明这种充满氟基的单层Ti2CTx拥有更好的质子吸附性质，更低的电荷转移阻抗进而导致其拥有更好的反应度和更高密度的活性位点。这种含F的Ti2CTx纳米片层具有75 mV的起始过电位以及更大的电荷交换密度0.41 mA cm-2。

【研究亮点】

      本文从导电性、反应度以及活性位点三个方面分析了研究中常常忽略的氟基的作用，通过理论计算和实验证明了氟基具有优秀HER性能。

【图文导读】

图1 Ti₂CT_x纳米片层制备流程图及SEM、AFM表征

图2 物理表征 a) Ti₂CT_x、Ti₂AlC的XRD图像及PDF卡片 b) Ti₂CT_x高分辨透射 c）氟元素的 XPS d）MAPPING元素分布图

图4 电化学阻抗测试 a) LSV极化曲线b）tafel斜率 c-d）材料电化学双电层电容法对活性表面积进行标定 e）EIS阻抗测试 f）循环稳定性测试

LSV极化曲线中显示出含氟Ti2CTx单层起始电势为75 mV，在10 mA cm-2时过电势为170 mV（相对于Ti2AlC和层状Ti2C有较大的提升）。

     含氟Ti2CTx的Tafel斜率为100 mVdec-1（Ti2AlC 183 mV dec-1和层状Ti2C 138 mV dec-1）。c、d图电化学双电层电容测试表明含氟Ti2CTx具有相对较高的活性面积。

【本文总结】

       Ti2CTx优异的电化学催化产氢性能可以从以下四角度解释：

                Ti2CTx纳米片本身的金属性质保证了电子从催化剂表面到支撑电极的快速传输，从而促进了电催化反应。

                氟基官能团通过降低氢的吸附吉布斯自由能促进质子吸附动力学，有利于提高活性位点的反应活性，有利于产氢。

                氟基官能团可以降低电荷转移电阻，促进电极动力学向氢移动。

                Ti2CTx纳米薄片的超薄厚度提供了比体积纳米薄片更大的电化学表面积和更强的催化活性位点，这对其催化性能有很大的帮助。

       本文证明了表面富含-F的金属Ti2CTx纳米片是高效、稳定的析氢反应的电催化剂，其起始过电位为75 mV，交换电流密度为0.41 mA cm−2。实验观测结合DFT计算表明,富含F基官能团不仅能促进离子的吸附动力学，也减少了电荷转移电阻，这赋予Ti2CTx nanosheets与改进的活性反应位点和温和的电极反应动力学,具有优异的电催化活性。同时，由于Ti2CTx纳米薄片的超薄厚度与金属行为之间的协同作用，使其具有大量的活性位点和较高的导电性，提高了其活性。得益于这些优点，富含氟基官能团Ti2CTx纳米片最终实现了比分层的Ti2CTx和原始的Ti2AlC更高的性能。本研究将为设计具有最佳电催化活性的MXene基材料提供有价值的指导。

文献链接：

https://doi.org/10.1016/j.nanoen.2018.03.022

消息源：微信公众号 MXene FrontierFigure