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强调
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通过合理的原子工程进行Pt原子的原子化 。
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V2CTXMXene的V空位充当固定Pt原子的锚定位点 。
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Pt-V2CTX在10 mA cm-2下表现出27 mV的低过电位 ， 与Pt/C相当 。
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原子Pt提供具有最佳H结合能的独特电子结构 。
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提出了用于增强V2CTX催化活性的活性位点的起源 。
为了构建高效的HER电催化剂 ， 必须通过对活性位点的电子调制来降低MXene的高结合能 。 在这里 ， 我们提出V2CTX MXene中的原子Pt取代来调节电子结构并促进对HER的催化活性 。 Pt–V2CTX在酸性介质中表现出高HER性能 ， 在–10 mA cm-2下具有27 mV的低过电位 ， 可与商业Pt/C催化剂相媲美 。 X射线吸收光谱和DFT计算表明Pt原子被有效地限制在V2CTX的V空位上 ， 并伴随着独特的电子结构 。 在Pt和表面氧位点的费米能级处 ， Pt具有更高占据d态的原子取代可以显着表明最佳的氢结合自由能(ΔGH*) ， 从而提高HER性能 。 这项工作通过合理的原子工程通过可行的电子调控和高度提高的催化活性为开发高效电催化剂带来了进一步的前景 。
图形概要
Pt-V2CTX电催化剂降低了H-O在原子Pt位点和V2CTX骨架上的高结合能
关键词
V2CTXMXene
pt单原子
析氢反应
活性位点
一、介绍
电催化水分解是一种强大的技术 ， 可以在不排放温室气体的情况下产生清洁的氢气 ， 从而能够通过可再生能源路线大规模生产氢气 。 具有低过电位的高活性电催化剂对于HER的快速动力学是必要的 。 迄今为止 ， Pt和其他贵金属已被用作高效的电化学催化剂 。 然而 ， 由于贵金属催化剂储量低、价格高和稀缺 ， 其用途仅限于工业应用 。 因此 ， 找到具有丰富储量、同时表现出优异催化剂效率的廉价替代品至关重要 。 在过去的几年中 ， 已经研究了各种基于二维(2D)材料的材料作为贵金属催化剂的替代品 。 过渡金属基化合物 ， 包括二硫属化物、磷化物、氮化物和碳化物 ， 作为有前景的多相催化剂受到了广泛关注 。 她的表现 。 然而 ， 尽管MoS2是最突出的替代HER催化剂 ， 但它离实际应用还很远 ， 需要特定的干预 ， 例如激活不活跃的面内表面、最大化活性边缘位点和金属传导 ， 这在热力学不稳定的1T中出现MXene是由过渡金属碳化物、氮化物和碳氮化物组成的新兴2D层状材料家族 ， 在能量存储和转换、电磁和电子应用方面引起了极大的关注 。 潜在的HER电催化剂 ， 具有在合成过程中产生的表面端基和空位的固有金属特性 。 然而 ， 除了基于Mo的MXene ， 原始MXene材料表现出较差的催化性能 。 尽管如此 ， 通过使用可变的表面官能团和表面缺陷 ， MXenes的化学和结构改性可以实现足够的HER催化性能 ， 包括氧官能化 Ti3C2TX、氮改性 Ti3C2TX和Pt-MO2TiC2TX 。 与Mo系列相同 ， 基于VB族金属（包括Nb或V）的MXenes也被认为是有前景的HER催化剂 。 具有多种结构和氧化态的V基材料可以针对电子结构、电导率和离子扩散进行定制 。 此外 ， 当与其他材料结合时 ， 可以调整催化性能 ， 包括金属位点的活性 。 值得注意的是 ， 与Mo或Nb基碳化物相比 ， 碳化钒表现出相当的氢吸附性能 。 此外 ， 最近关于用于水分解（HER和析氧反应（OER））的钒基电催化剂的研究也有报道 。 特别是 ， 用于OER的钒基或掺杂钒的材料由于其增强的导电性而受到了极大的关注 。 和降低电荷转移电阻 ， 有利于提高催化活性 。 因此 ， V有望成为HER电催化剂的极好候选者 。 然而 ， 当V2CTX用作HER催化剂时 ， 氢吸附太强 ， 催化性能较差 。
根据之前用于评估HER性能的全氧终止表面(V2CO2)的模拟工作 ， 热力学稳定的V2CO2显示出较高的氢吸附反应自由能 ， 从理论上揭示了不合适的HER催化活性 。 然而 ， 即使在吸收过渡金属的V2CO2的情况下 ， 对氢的吸附能适中 ， 导致从H到O的电荷转移较少 ， 并削弱了H和O之间的相互作用 。 此外 ， V2CTX MXene中的P掺杂过程削弱了H2O键并增强了对HER的催化活性 ， 控制了V2CTX中P原子的键合 。
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