大连理工 邱介山&王治宇 ACS Nano: 基于聚合的3D MXene架构作为完全分解水的高效双功能电催化剂

 

由于具有不同寻常的结构和性能，MXene成为了一种非常有吸引力的二维（2D）材料。它们的通式是M_n+1X_nT_x（n = 1-3），其中M是过渡金属（例如Ti、V、Nb、Mo等），X是C或N元素，而T代表化学基团，例如-OH、-O、-Cl和-F。具有广泛的化学和结构变化性能使得它们有良好的吸引力性能，例如与费米能级附近的高电子态密度相关的高导电性、优异的亲水性、良好的机械稳定性以及通过接枝化学基团以实现丰富的表面化学。最近报道的Ti₃C₂和Nb₂C MXenes用于体内光热疗法表现出良好的生物相容性和近红外吸附。这些优点使得MXene在诸如储能、催化、透明电子器件、分离膜、传感器、复合材料增强、电磁屏蔽和生物医学等广泛领域中非常有前景。然而，通过范德华力的片状聚集限制了基于MXene的材料/器件的功能性、可加工性。

 

 

近日，大连理工大学的邱介山教授和王治宇教授（共同通讯作者）等报道了利用毛细强压组装策略加工MXene为具有几何形状的高抗聚集性的分层3D结构。3D MXene的抗聚集性能不仅使表面积加倍，而且不损坏MXene的固有性能，例如良好的动力学框架、高稳定性和溶液-固态的优异加工性等。3D MXene与电化学活性物质相协同耦合，使得混合物系统具有非常高的活性表面积、电荷转移动力学和质量扩散速率。特别是CoP-3D MXene杂化物对碱性电解质中氧和氢的释放表现出高电催化活性。作为一种双功能电催化剂，它们表现出优异的电池电压和耐久性，结合RuO₂/Pt催化剂用于碱性溶液中使水完全分解，突出了高抗聚集性3D MXene作为一种高性能电催化剂的巨大应用潜力。研究成果以题为“Aggregation-Resistant 3D MXene-Based Architecture as Efficient Bifunctional Electrocatalyst for Overall Water Splitting”发表在国际著名期刊ACS Nano上。

 

 

 

（a） 抗聚集3D MXene结构的重要优点；

 

（b） 喷雾干燥含MXene胶体的气溶胶液滴，将MXene毛细状强压组装成3D结构。

 

 

（a、b）3D Ti₃C₂ MXene的SEM图；

 

（c）3D Ti₃C₂ MXene的TEM图；

 

（d）3D MXene 的TEM图显示在3D结构中的抑制聚集；

 

（e、f）球形状3D Ti₃C₂ MXene的SEM图；

 

（g）球形状3D Ti₃C₂ MXene的TEM图；

 

（h）3D Ti₃C₂ MXene的尺寸变化。

 

 

 

（a） 3D Ti₃C₂ MXene和Ti₃C₂ MXene的XRD；

 

（b） 3D Ti₃C₂ MXene和Ti₃C₂ MXene中Ti ₂P的XPS；

 

（c） 3D Ti₃C₂ MXene和Ti₃C₂ MXene的FT-IR谱；

 

（d）20 MPa恒定压力下，3D Ti₃C₂ MXene结构和原始Ti₃C₂ MXene的导电性；

 

（e）3D Ti₃C₂ MXene颗粒（顶部）手摇动分散在多种溶剂中并保持稳定4小时，而原始Ti₃C₂ MXene超声波处理后在大多数溶剂中快速聚集（底部）；

 

（f） 3D Ti₃C₂ MXene结构、原始Ti₃C₂ MXene和真空过滤Ti₃C₂ MXene薄膜的N₂吸附/解吸等温线；

 

（g、h） 150 MPa下，3D Ti₃C₂ MXene结构和原始Ti₃C₂ MXene的SEM图；

 

（i）真空过滤Ti₃C₂ MXene薄膜的SEM图。

 

 

（a、b）Co₃O₄@3D Ti₃C₂ MXene的SEM、TEM、元素分析和XRD；

 

（c、d）SnO₂@3D Ti₃C₂ MXene的SEM、TEM、元素分析和XRD；

 

（e、f）MnTiO₃@3D Ti₃C₂ MXene的SEM、TEM、元素分析和XRD；

 

（g、h）Pt@3D Ti₃C₂ MXene的SEM、TEM、元素分析和XRD；

 

（i、j）Ag@3D Ti₃C₂ MXene的SEM、TEM、元素分析和XRD；

 

（k、l）S@3D Ti₃C₂ MXene的SEM、TEM、元素分析和XRD。

 

 

（a、b）CoP@3D Ti₃C₂ MXene的SEM；

 

（c、d）CoP@3D Ti₃C₂ MXene的TEM；

 

（e）TEM图显示超细CoP纳米粒子在3D MXene表面的均匀分散；

 

（f）CoP@3D Ti₃C₂ MXene的HRTEM；

 

（g）CoP@3D Ti₃C₂ MXene中C、Co、Ti和 P的元素分析。

 

 

（a） 不同CoP含量、不含MXene的CoP和3D Ti₃C₂ MXene的CoP @ 3D Ti₃C₂ MXene催化剂的iR校正LSV曲线；

 

（b） 用于OER的CoP@3D Ti3C2 MXene、CoP @ Ti₃C₂ MXene、CoP @3D rGO、CoP、3D Ti₃C₂ MXene和RuO2催化剂的iR校正LSV曲线；

 

（c） 催化剂在起始过电位和η_j= 10的比较；

 

（d） 电流密度为10.0 mA/cm^-2的CoP@3D Ti₃C₂ MXene、CoP@Ti₃C₂ MXene、CoP@3D rGO、CoP和RuO₂催化剂的Tafel；

 

（e） 电流密度为10.0 mA/cm^-2的CoP@3D Ti₃C₂ MXene、CoP@Ti₃C₂ MXene、CoP@3D rGO、CoP和RuO₂催化剂的计时电位响应；

 

（f） CoP@3D Ti₃C₂ MXene、CoP@Ti₃C₂ MXene、CoP@3D rGO、MXene free CoP和RuO₂催化剂的催化活性和稳定性的综合图。

 

 

研究报道了通过将MXene组装成具有分层结构和聚集抗性的3D结构来有效地减轻其纳米片的聚合。3D MXene结构的拓扑结构不仅可以防止纳米片之间的聚集，而且也可以在固态和具有不同特性的溶剂中实现几何形状的聚集阻力。此外，3D MXene结构还具有大的表面积、高坚固性、3D导电框架以及相对于扁平MXene板材更好的可加工性。通过与过渡金属氧化物和主族金属氧化物、钙钛矿型金属氧化物、金属磷化物、贵金属和硫等的纳米结构相结合，使它们成为具有广泛功能的工程分级混合系统的通用主体。CoP@3D Ti₃C₂ MXene催化剂的双功能电催化活性使它们可以完全的分解水，表现出优异的活性和对贵金属Pt和RuO₂催化剂的组合的耐久性。此项研究不仅表明基于3D MXene的电催化剂能够实现良好的电化学特性，而且还是解决MXene系列加工和应用中的基本难题的有效方法。

 

文献链接：Aggregation-Resistant 3D MXene-Based Architecture as Efficient Bifunctional Electrocatalyst for Overall Water Splitting（ACS Nano, 2018, DOI: 10.1021/acsnano.8b02849）

 

 

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