​北航AEM:超快合成富空位MXene,作为单原子有效载体促催化反应

华算科技 2024-04-04 07:58:05

二维过渡金属碳化物、氮化物或碳氮化物(MXenes)是近几十年发展起来的一类明星材料,通常是通过从MAX相中选择性地去除A层来合成的。除了可调的组成和结构之外,MXenes还具有原子层厚度,甚至在选择性刻蚀之后产生有序的空位,表现出可调的电性能、亲水/疏水表面和优异的机械强度。目前MXenes主要是通过液相和熔盐刻蚀方法合成,但由于生产时间过长,导致MXenes表面终端不可避免的发生变化,甚至MXenes发生氧化。因此,需要开发合适的策略来直接快速合成MXenes。

近日,北京航空航天大学杨树斌和杜志国等提出了一种在高温金属氯化物(ZnCl2)蒸气中选择性刻蚀MAX相(Ti2AlC)快速制备MXenes (Ti2CClx)的方法。在这种合成方法中,具有高化学活性的金属氯化物蒸气可以与MAX相的层间A层反应,导致反应体系中含氯化物的气态A的快速脱除,时间仅为5分钟;同时,MX片晶格中的M位原子可以被可控地刻蚀出来,形成金属空位,这些金属空位具有很强的还原能力,可以从ZnCl2蒸气中得到Zn单原子;最后通过高温挥发得到了富空位的MXene。值得注意的是,腐蚀时间不到液相和熔盐腐蚀方法的六十分之一。

此外,所制备的MXenes可以作为一个高效的单原子Pt载体(Ti2CClx-PtSA),其与Pt单原子形成的化合物在酸性条件下仅需41 mV的HER过电位就能产生10 mA cm−2的电流密度;并且,其使经过5000个CV循环后,电流密度无明显衰减,显示优异的长期稳定性。理论计算表明,Ti2CClx-PtSA表现出最佳的氢吸附自由能(0.016 eV),有利于发生氢吸附-解吸过程;同时,Ti2CClx-PtSA在费米能级附近具有更高的占据态,导致高电导率和良好的电催化活性。 此外,该项工作所提出的MXene快速生产方法可以提供许多可能性,通过利用选定的气体和蒸汽,合成具有可调节的成分、丰富的表面化学和定制的电学性质的多样化MXene,有利于它们随后在电子学、电磁干扰屏蔽、微波吸收、能量存储和转换等方面的功能化。

Minutes‐fast production of vacancy‐enriched MXenes as an efficient platform for single‐atom electrocatalysts. Advanced Energy Materials, 2024. DOI: 10.1002/aenm.202304149

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