开发纳米级或原子级的Pt基电催化剂用于氢析出反应(HER),这对于缓解Pt储量低的问题非常重要。这里,提出了一种方法来构建分级的Pt-MXene-单壁碳纳米管(SWCNTs)异质结构用于HER催化。在该异质结构中,高活性的纳米/原子级金属Pt固定在Ti3C2Tx MXene薄片(MXene @ Pt)上,它与导电的SWCNT框架相连接。利用MXene的亲水性和可还原性等优势,MXene @ Pt胶体悬浮液可通过自发将Pt阳离子还原成金属Pt制备而得,无需额外的还原剂或后处理。如此制备的分级HER催化剂(以膜的形式存在),在800 h工作期间显示出高的稳定性,在-50 mV vs. RHE时,体积电流密度高达230 mA cm−3。该溶液处理的策略提供了一种简单,高效但可扩展的方法来构建稳定高效的HER催化剂。考虑到Pt-MXene-SWCNT分级结构的性质和结构-活性关系,其他MXene可能在HER电催化中有着更大的应用前景。
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Figure 1. (a)制备Ti3C2Tx胶体悬浮液和(b)MXene@Pt/SWCNTs纳米催化剂的示意图。
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Figure 2.形貌及元素分析。(a)几层Ti3C2Tx纳米薄片的TEM图,(b)Ti3C2Tx@5Pt 的TEM图,(c-d)MXene@5Pt的HAADF-STEM图和相应的元素分布图,(e)原子级HAADF-STEM图,(f)Pt颗粒尺寸分布情况,(g)观察到单个Pt原子,(h)尖端探头超声处理后SWCNT的TEM图,(i)SWCNT薄膜的SEM图。
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Figure 3. 催化剂的HER性能表征。(a-b)极化曲线(分别用面积电流和体积电流呈现),(c)Tafel斜率,(d)S-M-5Pt催化剂的LSV曲线,(e)5片S-M-5Pt的长时间稳定性测试。
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Figure 4. 动力学研究。(a,b,d,e)不同电极在-50 mV电位下的EIS图,(c)赝电容行为和(f)HER行为的等效电路图。
该研究工作由中国科学院金属研究所王晓辉课题组于2020年发表在Adv. Funct. Mater.期刊上。原文:Ultrastable MXene@Pt/SWCNTs' Nanocatalysts for Hydrogen Evolution Reaction