Nano Energy: 雙層氫氧化物LDH和二維過渡金屬碳化物MXene協同耦合提高電催化析氧性能

【引言】

能源短缺和環境污染是當前影響人類可持續發展的兩大重要問題，因此高效清潔能源的開發和使用是實現能源可持續發展和環境保護戰略的重要目標。其中析氧反應OER（oxygen evolution reaction）是許多可再生能源的基礎反應能源技術，在過去幾十年中成為水分解領域的研究焦點，但至今還未找到完全令人滿意的催化劑。

在電催化領域對于析氧催化劑的研究中，RuO₂是公認的活性最好的OER電催化劑。然而Ru為貴金屬，地殼中儲量低，價格昂貴，因此不能實現大規模的工業應用。理想的OER電催化劑應該具備低過電壓、使用壽命長、廉價、儲量豐富并且可實現大規模應用。近年來，由于層狀二維材料表面曝露大量配位不飽和的表面原子，具有較高的反應活性和較多的催化反應的活性位點，因此在電催化析氧反應中具有潛在的應用前景。進一步設計和發展新型無機超薄二維材料，不僅可以豐富二維超薄材料的種類，拓展其在催化領域的應用，還為進一步推動其實際應用提供理論指導，具有十分重要的科學意義。

【成果簡介】

近日，大連理工大學邱介山教授和王治宇教授（共同通訊作者）通過刻蝕和共沉淀方法成功制備了雙層氫氧化物LDH和二維過渡金屬碳化物MXene納米復合材料。Fe/Ni-LDH/Ti₃C₂-MXene具有高導電性、高表面活性表和高穩定性，通過協同耦合作用提高了電催化析氧性能。通過XPS分析和DFT理論計算，結果表明Fe/Ni-LDH和Ti₃C₂-MXene具有較強的結合能和電子耦合作用。相關成果以題為“Boosting Electrocatalytic Oxygen Evolution by Synergistically Coupling Layered Double Hydroxide with MXene”發表在了Nano Energy上。

【圖文導讀】

圖1. Fe/Ni-LDH/Ti₃C₂-MXene納米復合材料合成機理示意圖

制備的Fe/Ni-LDH/Ti₃C₂-MXene納米復合材料能夠提供協同化學和電子耦合作用，從而能夠提高納米材料的催化析氧性能。（Etching：刻蝕作用，Exfoliation：剝離，Co-deposition：共沉淀，Refluxing：冷卻回流）

圖2. Fe/Ni-LDH/Ti₃C₂-MXene納米復合材料表征

（a）高質量Ti₃C₂ MXene納米片的SEM照片；

（b）（c）Fe/Ni-LDH/Ti₃C₂-MXene納米復合材料的SEM照片；

（d）（e）（f）為Fe/Ni-LDH/Ti₃C₂-MXene納米復合材料的TEM/HRTEM照片；

（g）Fe/Ni-LDH/Ti₃C₂-MXene納米復合材料的元素映射分析結果，包括C、O、Ti、Ni、Fe元素。

圖3. 不同類型納米材料催化劑的電化學性能

（a）不同Fe/Ni-LDH含量的Fe/Ni-LDH/Ti₃C₂-MXene、純Fe/Ni-LDH、Ni(OH)₂和Ti₃C₂ MXene的線性掃描伏安曲線；

（b）80% Fe/Ni-LDH含量的Fe/Ni-LDH/Ti₃C₂-MXene、Fe/Ni-LDH+Ti₃C₂-MXene、FeNi-LDH/rGO和RuO₂的線性掃描伏安曲線；

（c）不同催化劑FeNi-LDH/Ti₃C₂-MXene、FeNi-LDH+Ti₃C₂-MXene、FeNi-LDH/rGO、FeNi-LDH、Ni(OH)₂、RuO₂和Ti₃C₂ MXene在出現過電壓和電流密度為10 mA cm^-2時過電壓結果；

（d）不同催化劑FeNi-LDH/Ti₃C₂-MXene、FeNi-LDH+Ti₃C₂-MXene、FeNi-LDH/rGO、FeNi-LDH、Ni(OH)₂和RuO₂的極化結果；

（e）在恒定電流密度10 mA cm^-2時FeNi-LDH/Ti₃C₂-MXene、FeNi-LDH/rGO、FeNi-LDH+Ti₃C₂-MXene、FeNi-LDH和RuO₂催化劑的計時點位響應結果；

（f）FeNi-LDH/Ti₃C₂-MXene、FeNi-LDH/rGO、FeNi-LDH+Ti₃C₂-MXene、FeNi-LDH和RuO₂催化劑在堿性電解質中的催化活性和穩定性。

圖4. 不同類型納米材料催化劑的理化性質表征

（a）FeNi-LDH/Ti₃C₂-MXene、FeNi-LDH+Ti₃C₂-MXene、FeNi-LDH和Ti₃C₂ MXene催化劑的紫外-可見吸收光譜結果；

（b）（c）FeNi-LDH/Ti₃C₂-MXene、純FeNi-LDH和FeNi-LDH+Ti₃C₂-MXene的XPS表征，其中（b）為Ni 2p軌道，（c）為Fe 2p軌道，結果表明FeNi-LDH/Ti₃C₂-MXene復合納米材料的結合能提高了0.5-0.6 V；

（d） 80% FeNi-LDH含量的FeNi-LDH/Ti₃C₂-MXene、FeNi-LDH+Ti₃C₂-MXene、FeNi-LDH/rGO、純FeNi-LDH和Ti₃C₂ MXene在線性伏安曲線中氧化還原范圍的提高；

（e）FeNi-LDH中Ni²⁺比例與電流密度10 mA cm^-2時過電壓的負線性相關關系；

（f）過電壓370 mV時FeNi-LDH/Ti₃C₂-MXene、FeNi-LDH/rGO和FeNi-LDH+Ti₃C₂-MXene電極的電化學阻抗圖譜結果。

圖5 不同類型催化劑的密度泛函理論DFT計算結果

（a）（b）為FeNi-LDH/Ti₃C₂-MXene納米復合材料的模型結構示意圖，其中（a）為頂視圖，（b）為側視圖，H、C、O、Ti、Fe和Ni原子分別為白色、灰色、紅色、銀色、綠色和紫色；

（c）層狀FeNi-LDH/Ti₃C₂-MXene、FeNi-LDH和Ti₃C₂ MXene的態密度結果；

（d）層狀FeNi-LDH/Ti₃C₂-MXene和FeNi-LDH中Ni/Fe 3d軌道的投影態密度結果。

圖6 泡沫鎳NF存在對催化劑性能改善的影響

（a）FeNi-LDH/Ti₃C₂-MXene/NF電極的SEM照片；

（b）FeNi-LDH/Ti₃C₂-MXene/NF電極和NF裸電極在1 mol L^-1 KOH電解液、掃描速度10 mV s^-1時線性伏安曲線結果；

（c）在恒定電流密度10 mA cm^-2時FeNi-LDH/Ti3C2-MXene/NF催化劑的計時點位響應結果。插圖是一種表面產生氧氣電極的光學照片；

（d）FeNi-LDH/Ti₃C₂-MXene/NF、FeNi-LDH/Ti₃C₂-MXene、FeNi-LDH/rGO和FeNi-LDH催化劑的轉化頻率TOF結果。

【小結】

本研究利用刻蝕和共沉淀方法制備雙層氫氧化物LDH和二維過渡金屬碳化物MXene納米復合材料，Fe/Ni-LDH/Ti₃C₂-MXene表現出優良的導電性、表面活性表和穩定性，同時通過協同化學和電子耦合作用提高了催化劑的析氧性能。SEM和TEM表明Fe/Ni-LDH在Ti₃C₂-MXene表面呈現松散的網狀結構，厚度約幾個納米。通過XPS分析和DFT理論計算，結果表明Fe/Ni-LDH和Ti₃C₂-MXene具有較強的結合能和電子耦合作用。商業化泡沫鎳NF的存在能夠提高Fe/Ni-LDH/Ti₃C₂-MXene催化劑的析氧性能。

文獻鏈接：Boosting Electrocatalytic Oxygen Evolution by Synergistically Coupling Layered Double Hydroxide with MXene?（Nano Energy, 2017, https://doi.org/10.1016/j.nanoen.2017.12.003）

本文由材料人編輯部新人組楊傳璽編輯，劉宇龍審核，點我加入材料人編輯部。

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