通过缺陷捕获和自还原相结合的方法，成功地在富含Ti缺陷的Ti₃C₂T_x MXene基体上合成了一系列Ni SAC。HAADF-STEM和EXAFS分析证实，Ni原子取代Ti空位，在Ti₃C₂T_x MXene载体上与相邻的3个碳原子建立了稳定的Ni-C配位结构。结果表明，负载Ni量为2.93 wt.%的Ti₃C₂Tx MXene对电化学肼氧化反应具有良好的催化性能，起效电位极低，仅为-0.03 V(相对于RHE)。同时，在24000 s的耐久性测试中，它表现出了高稳定性和微不足道的活性损失，这源于Ni原子和Ti₃C₂T_x MXene之间的强共价键。DFT计算结果将高HzOR活性归因于Ni单原子与周围C原子的强耦合使最佳电子态密度增强，从而提高了吸附能，降低了反应能垒。这项工作强调了MXene通过缺陷捕获和自还原策略在制造SACs方面的独特潜力，它很容易适用于广泛的过渡金属。展望了二维材料支持的SACs家族在肼氧化反应之外的更多电化学反应的发展前景。
 
  图1. a) Ni SACs/Ti₃C₂T_x合成工艺示意图。b) Ti₃C₂T_x层SEM图像，c) Ti₃C₂T_x层HAADF-STEM图像。d)沿c轴原子分辨率Ti₃C₂T_x单层Ti空位HAADF-STEM图像e) Ni SACs/Ti₃C₂T_x的HAADF-STEM图像。f, g) Ni SACs/Ti₃C₂T_x中元素Ti, C, O, Ni的STEM图像及其EDS元素映射。
 
  图2 a) Ti k边XANES光谱;b) Ti₃AlC₂、Ti₃C₂T_x、Ti箔和TiO₂的Ti k边EXAFS光谱的傅里叶变换。c) Ni k边XANES光谱;d) Ni sac /Ti₃C₂T_x、Ni箔和NiO的Ni k边EXAFS光谱k₂加权傅里叶变换，以及Ni sac /Ti₃C₂T_x的EXAFS拟合结果。e)小波变换Ni SACs/Ti₃C₂T_x、Ni箔和NiO的Ni k边EXAFS光谱。
   
图3. a)不同肼浓度下Ni SACs/Ti3C2Tx的HzOR极化曲线。b) Ni SACs/Ti₃C₂T_x、Ni NPs/Ti₃C₂T_x、Ti₃C₂T_x和Pt/C含0.1 M N₂H₄的1m KOH溶液的LSV曲线。c) Ti₃C₂T_x、Ni SACs/Ti₃C₂T_x、Ni NPs/Ti₃C₂T_x和Pt/ c的Tafel图。d) Ti₃C₂T_x、Ni sac /Ti₃C₂T_x、Ni NPs/Ti₃C₂T_x的Nyquist图。e) Ni SAC/Ti₃C₂T_x和Ni NPs/Ti₃C₂T_x在含0.5 M N₂H₄的1 M KOH溶液中24000秒的计时安培曲线。f)在含0.1 M N₂H₄的1 M KOH溶液中进行24000s Ni sac /Ti₃C₂T_x计时安培测试前后的CV曲线。
 

图4. a) Ti₃C₂T_x、Ti₃C₂T_x和Ni SACs/Ti₃C₂T_x中Ni原子的d轨道态投影电子密度和总电子密度态图。b) Ni NPs/Ti₃C₂Tx上N₂H₄分子逐步脱氢过程示意图。c) Ni NPs/Ti₃C₂T_x和Ni SAC /Ti₃C₂T_x上HzOR的能量分布图。d) Ni SACs/Ti₃C₂T上N₂H₄分子逐步脱氢过程示意图。
  
       相关科研成果由中国科学院理化技术研究所Tierui Zhang等人于2022年发表在Advanced Matreials (doi: 10.1002/adma.20220438)上。原文Vacancy-rich MXene-immobilized Ni single atom as high-performance electrocatalyst for hydrazine oxidation reaction。

转自《石墨烯研究》公众号