氮掺杂对 MXene 增强析氢反应的协同作用 _着陆器

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用于有效析氢反应(HER)的地球丰富、非贵重且高效的电催化剂对于未来的大规模绿色能源生产至关重要。低成本二维MXenes由于其独特的化学和物理性质，在储能装置中得到了广泛的研究，并且最近吸引了电催化领域的科学家。然而，它们的电催化活性仍然不能令人满意。在此，我们提出了一种简单且通用的策略，使用氨热处理通过氮杂原子修饰来增强Ti3C2TXMXenes的析氢催化。重要的是，我们的方法侧重于揭示：所有可能的掺入N物种，包括Ti-N、N-H和N在O-Ti-N中的贡献，而不是像以前那样只考虑Ti-Nx基序的贡献报道了N掺杂的MXene电催化剂，以及它们在诱导所制备催化剂的电子结构发生变化中的作用，从而导致电导率增加和内在催化反应性提高；控制在合适的煅烧温度下获得的适量N的重要性，以帮助吸附氢的吉布斯自由能(ΔHad*)接近0 eV（理想值），正如密度泛函理论所证明的那样.此外，实验结果表明，与原始Ti3C2TX相比，在600 °C退火的氮掺杂Ti3C2TX显示出更好的HER电催化性能，在10 mA cm-2下的起始电位为-30 mV ，过电位低至198 ，以及作为92 mV dec–1的小得多的Tafel斜率。

基础科学研究所 (IBS) ，水原 440-746 ，大韩民国
关键词：
二维材料
基于MXene的电催化剂
氮掺杂
析氢反应
【氮掺杂对 MXene 增强析氢反应的协同作用】DFT计算

氢是一种清洁的高能量密度载体，被认为是一种可再生能源。通过电化学水分解路线生产氢气通常需要高过电位，使水电解成为一个低效率的过程。一个完整的H2电解槽包含负极析氧反应(OER)和正极析氢反应(HER) 。到目前为止，贵金属Pt及其化合物是HER的最佳催化剂，因为它们具有理想的氢吸附吉布斯自由能，有利于质子还原反应中的水催化。

不幸的是，铂的高成本和稀缺性严重阻碍了它的工业应用。为此，人们集中精力发现新型HER电催化剂。例如，过渡金属二硫属化物(TMD)、过渡金属磷化物、过渡金属碳化物(TMC)和氮化物已被报道为Pt金属及其合金的潜在替代品。
MXenes是二维(2D) TMC家族，已广泛应用于电化学应用，特别是在能量存储（即锂和钠离子电池和超级电容器）和最近的能量转换（即电催化剂和光催化剂）中，因为它们具有高表面积、优异的电子导电性、亲水性以及高化学和机械稳定性。自从首次报道MXene作为HER的电催化剂以来，一些研究已经探索了这些种类丰富且具有成本效益的二维材料是否可以成为高效的析氢电催化剂。从理论上讲，已经证明MXenes的基面对HER具有催化活性，这意味着有大量的活性中心参与催化反应。这与广泛研究的2D TMD (MoS2)形成对比，后者仅在边缘位置具有有限的活性位点。不幸的是， MXenes的内在催化活性不如Pt及其复合化合物。因此，需要大量明智的方法来进一步提高基于MXene的电催化剂的催化性能，以实现可能的实际应用。
众所周知，反应中心的数量、每个活性位点的内在活性（即反应性）和电导率是直接影响HER性能的关键因素。因此，在提高MXene催化剂的反应性时也考虑了这些因素。其中，已经通过控制上述一个或所有关键参数进行了一些理论和实验尝试。例如， Yuan等人通过剥离超薄纳米片或KOH活化纳米纤维来增加活性位点的数量。尽管结构变化通过增加表面积对催化活性产生了积极影响，但这种方法不能用于修正内在活性。相比之下，促进剂的加入可以通过改变电子结构来潜在地提高催化剂性能，从而调节H中间体与MXene基面的结合能。迄今为止，多项理论研究表明，引入调节剂不仅可以优化氢吸附的吉布斯自由能（ΔHad*），还可以降低析氢能垒，从而提高HER性能。

氮掺杂对 MXene 增强析氢反应的协同作用

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