通过原子 Pt 限制降低碳化钒 MXene 的高氢结合强度以实现对 HER 的高活性( 五 ) _mv

3.3.Pt-V2CTX对HER的电化学性能
在使用0.5 M H2SO4和1 M KOH电解质的三电极系统中评估Pt-V2CTX电催化剂的HER性能。图4a显示了V2CTX和Pt-V2CTX以及基准Pt/C（20%）电催化剂的HER极化曲线。由于表面上强的O-H键合，原始V2CTX的HER活性较差，在酸性条件下具有743 mV的高过电位。然而，包含Pt原子的Pt-V2CTX显示出高电流密度，在施加的电位范围内具有与商业Pt/C催化剂相当的HER性能。为了评估Pt-V2CTX的HER性能，我们将达到-10 mA cm-2（关键HER性能指标）的HER电流密度(j)所需的电势与Pt/C电催化剂的电势进行了比较。 Pt-V2CTX仅需要27 mV与可逆氢电极(RHE)过电位即可达到10 mA cm-2 。相比之下，对于j = -10 mA cm-2 ， Pt/C需要-36.5 mV的过电位。此外，对于j= -50 mA cm-2 ， Pt–V2CTX仅需要-82 mV的过电位，从而实现快速传质过程。此外， Pt-V2CTX在IR校正的HER极化曲线中显示出略微增强的动力学（图S8）。如图4b所示， Pt-V2CTX显示出36.5 mV每十倍频程(mV dec-1)的小塔菲尔斜率，揭示了源自Pt原子引入的快速HER动力学。除了酸性电解质外， Pt-V2CTX在碱性电解质（1 M KOH溶液）中对HER表现出优异的催化活性，过电势低至约68.1 mV ，可达到-10 mA cm-2的电流密度，而商业Pt /C电催化剂需要~131 mV的过电位（图4a）。 Pt-V2CTX的Tafel斜率为98.6 mV dec-1 ，与商业Pt/C电催化剂的斜率相当（图S9）。此外，通过对Pt含量进行归一化，在-30mV的过电位下， Pt-V2CTX的HER质量活性为7.88 A mgpt-1 ，是商业Pt/C电催化剂（20wt%）的50倍在酸性条件下具有0.157 A mgpt-1 。此外， Pt-V2CTX在-50 mV的过电位下显示出4.02 A mgpt-1的质量活性，优于商业Pt/C电催化剂（20 wt%），在碱性条件下为0.076 A mgpt-1（图4c）.此外，我们进行了整体转换频率（TOF）计算，以在酸性和碱性条件下对HER的每个活性位点进行量化（图4d）。发现Pt-V2CTX在100 mV过电位下的TOF为4.74和1.16 H2 S-1 ，而20 wt.% Pt/C在酸性和碱性条件下仅显示0.156和0.0226 H2 S-1的TOF ，分别。该结果表明，将原子Pt引入V2CTX电催化剂可以提高催化活性，在低Pt负载量的情况下最大限度地提高催化效率，从而实现高效的HER性能。电化学阻抗谱（EIS）分析进一步表明，将Pt原子引入Pt-V2CTX电催化剂导致低内阻和快速电荷转移行为，低过电位和快速HER动力学（图S10）。
在原子水平上限制Pt以提高V2CTX MXene的催化效率，导致与现有的基于MXene的HER电催化剂（图 4e）和基于Pt的单原子催化剂（表S2）相比，性能优越或相当。在酸性条件下，将Pt-V2CTX的HER性能与报道的基于MXene的电催化剂进行了比较。广泛使用的钛基MXene (Ti3C2TX)表现出低催化活性和超过600 mV的高过电位。当它在表面上进行完全的O功能化修饰时，观察到190 mV的过电位。此外，通过N掺杂工艺合成的N-Ti3C2TX显示出提高的HER催化效率，过电位为198 mV 。此外，由于强H-O键而具有高过电位的V2CTX的P掺杂有效地降低了键能，显示出改进的催化活性，过电位为163 mV 。通过MO2CTX和 Ti3C2TX与MoS2层络合制备的HER催化剂显示出高效的催化性能，分别具有119和110 mV的低过电位。然而，尽管通过MXene的各种表面改性实现了催化性能的提高，但过电位没有可比性与最先进的Pt/C电催化剂相比。在MO2TiC2TX的情况下，通过原子Pt的键合，观察到30 mV的非常低的过电位，表明其优异的HER性能可与最先进的电催化剂Pt/C相媲美。本研究中的Pt-V2CTX催化剂显示出与Mo基MXene电催化剂相当的优异HER催化剂性能。这些结果表明，具有与Pt相似的d带结构的与Mo基材料同族的V基MXene可以实现优异的HER性能。此外，在进行10小时恒电流测量以评估催化稳定性期间， Pt-V2CTX在酸性介质中的电位变化可以忽略不计，但在碱性介质中，过电位略有下降约10 mV（图4f）。此外，研究稳定性和后表征非常有助于理解电催化剂。因此，我们进行了XPS分析和EIS分析，以研究Pt-V2CTX在0.5 M H2SO4和1 M KOH中稳定性测试后的表征（图S11-S14）。在XPS结果中， Pt-V2CTX在0.5 M H2SO4中稳定性测试后显示V 2p光谱的轻微氧化状态，但变化很小。然而，在碱性电解质测试中， V 2p光谱明显改变，表明更高的氧化态，而Pt 4 f光谱仍然表明存在Pt原子。 XPS结果表明， V2CTX在碱性条件下比在酸性条件下更容易氧化，但可以看出Pt原子稳定保留。此外，我们在稳定性测试后进行了EIS分析，以阐明Pt-V2CTX在0.5 M H2SO4和1 M KOH中的电化学行为。此时， Nyquist图也显示出与XPS结果类似的趋势。在碱性条件下，电荷转移电阻比酸性条件下增加更多。然而，这些结果仍然显示出低电荷转移电阻，表明高效的HER性能。总之，在碱性条件下进行稳定性测试后， Pt-V2CTX显示出比酸性条件下更高的氧化态。

通过原子 Pt 限制降低碳化钒 MXene 的高氢结合强度以实现对 HER 的高活性( 五 )

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