大連理工 邱介山&王治宇 ACS Nano: 基于聚合的3D MXene架構作為完全分解水的高效雙功能電催化劑

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由于具有不同尋常的結構和性能，MXene成為了一種非常有吸引力的二維（2D）材料。它們的通式是M_n+1X_nT_x（n = 1-3），其中M是過渡金屬（例如Ti、V、Nb、Mo等），X是C或N元素，而T代表化學基團，例如-OH、-O、-Cl和-F。具有廣泛的化學和結構變化性能使得它們有良好的吸引力性能，例如與費米能級附近的高電子態密度相關的高導電性、優異的親水性、良好的機械穩定性以及通過接枝化學基團以實現豐富的表面化學。最近報道的Ti₃C₂和Nb₂C MXenes用于體內光熱療法表現出良好的生物相容性和近紅外吸附。這些優點使得MXene在諸如儲能、催化、透明電子器件、分離膜、傳感器、復合材料增強、電磁屏蔽和生物醫學等廣泛領域中非常有前景。然而，通過范德華力的片狀聚集限制了基于MXene的材料/器件的功能性、可加工性。

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近日，大連理工大學的邱介山教授和王治宇教授（共同通訊作者）等報道了利用毛細強壓組裝策略加工MXene為具有幾何形狀的高抗聚集性的分層3D結構。3D MXene的抗聚集性能不僅使表面積加倍，而且不損壞MXene的固有性能，例如良好的動力學框架、高穩定性和溶液-固態的優異加工性等。3D MXene與電化學活性物質相協同耦合，使得混合物系統具有非常高的活性表面積、電荷轉移動力學和質量擴散速率。特別是CoP-3D MXene雜化物對堿性電解質中氧和氫的釋放表現出高電催化活性。作為一種雙功能電催化劑，它們表現出優異的電池電壓和耐久性，結合RuO₂/Pt催化劑用于堿性溶液中使水完全分解，突出了高抗聚集性3D MXene作為一種高性能電催化劑的巨大應用潛力。研究成果以題為“Aggregation-Resistant 3D MXene-Based Architecture as Efficient Bifunctional Electrocatalyst for Overall Water Splitting”發表在國際著名期刊ACS Nano上。

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（a） 抗聚集3D MXene結構的重要優點；

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（b） 噴霧干燥含MXene膠體的氣溶膠液滴，將MXene毛細狀強壓組裝成3D結構。

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（a、b）3D Ti₃C₂ MXene的SEM圖；

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（c）3D Ti₃C₂ MXene的TEM圖；

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（d）3D MXene 的TEM圖顯示在3D結構中的抑制聚集；

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（e、f）球形狀3D Ti₃C₂ MXene的SEM圖；

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（g）球形狀3D Ti₃C₂ MXene的TEM圖；

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（h）3D Ti₃C₂ MXene的尺寸變化。

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（a） 3D Ti₃C₂ MXene和Ti₃C₂ MXene的XRD；

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（b） 3D Ti₃C₂ MXene和Ti₃C₂ MXene中Ti ₂P的XPS；

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（c） 3D Ti₃C₂ MXene和Ti₃C₂ MXene的FT-IR譜；

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（d）20 MPa恒定壓力下，3D Ti₃C₂ MXene結構和原始Ti₃C₂ MXene的導電性；

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（e）3D Ti₃C₂ MXene顆粒（頂部）手搖動分散在多種溶劑中并保持穩定4小時，而原始Ti₃C₂ MXene超聲波處理后在大多數溶劑中快速聚集（底部）；

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（f） 3D Ti₃C₂ MXene結構、原始Ti₃C₂ MXene和真空過濾Ti₃C₂ MXene薄膜的N₂吸附/解吸等溫線；

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（g、h） 150 MPa下，3D Ti₃C₂ MXene結構和原始Ti₃C₂ MXene的SEM圖；

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（i）真空過濾Ti₃C₂ MXene薄膜的SEM圖。

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（a、b）Co₃O₄@3D Ti₃C₂ MXene的SEM、TEM、元素分析和XRD；

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（c、d）SnO₂@3D Ti₃C₂ MXene的SEM、TEM、元素分析和XRD；

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（e、f）MnTiO₃@3D Ti₃C₂ MXene的SEM、TEM、元素分析和XRD；

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（g、h）Pt@3D Ti₃C₂ MXene的SEM、TEM、元素分析和XRD；

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（i、j）Ag@3D Ti₃C₂ MXene的SEM、TEM、元素分析和XRD；

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（k、l）S@3D Ti₃C₂ MXene的SEM、TEM、元素分析和XRD。

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（a、b）CoP@3D Ti₃C₂ MXene的SEM；

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（c、d）CoP@3D Ti₃C₂ MXene的TEM；

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（e）TEM圖顯示超細CoP納米粒子在3D MXene表面的均勻分散；

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（f）CoP@3D Ti₃C₂ MXene的HRTEM；

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（g）CoP@3D Ti₃C₂ MXene中C、Co、Ti和 P的元素分析。

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（a） 不同CoP含量、不含MXene的CoP和3D Ti₃C₂ MXene的CoP @ 3D Ti₃C₂ MXene催化劑的iR校正LSV曲線；

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（b） 用于OER的CoP@3D Ti3C2 MXene、CoP @ Ti₃C₂ MXene、CoP @3D rGO、CoP、3D Ti₃C₂ MXene和RuO2催化劑的iR校正LSV曲線；

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（c） 催化劑在起始過電位和η_j= 10的比較；

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（d） 電流密度為10.0 mA/cm^-2的CoP@3D Ti₃C₂ MXene、CoP@Ti₃C₂ MXene、CoP@3D rGO、CoP和RuO₂催化劑的Tafel；

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（e） 電流密度為10.0 mA/cm^-2的CoP@3D Ti₃C₂ MXene、CoP@Ti₃C₂ MXene、CoP@3D rGO、CoP和RuO₂催化劑的計時電位響應；

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（f） CoP@3D Ti₃C₂ MXene、CoP@Ti₃C₂ MXene、CoP@3D rGO、MXene free CoP和RuO₂催化劑的催化活性和穩定性的綜合圖。

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研究報道了通過將MXene組裝成具有分層結構和聚集抗性的3D結構來有效地減輕其納米片的聚合。3D MXene結構的拓撲結構不僅可以防止納米片之間的聚集，而且也可以在固態和具有不同特性的溶劑中實現幾何形狀的聚集阻力。此外，3D MXene結構還具有大的表面積、高堅固性、3D導電框架以及相對于扁平MXene板材更好的可加工性。通過與過渡金屬氧化物和主族金屬氧化物、鈣鈦礦型金屬氧化物、金屬磷化物、貴金屬和硫等的納米結構相結合，使它們成為具有廣泛功能的工程分級混合系統的通用主體。CoP@3D Ti₃C₂ MXene催化劑的雙功能電催化活性使它們可以完全的分解水，表現出優異的活性和對貴金屬Pt和RuO₂催化劑的組合的耐久性。此項研究不僅表明基于3D MXene的電催化劑能夠實現良好的電化學特性，而且還是解決MXene系列加工和應用中的基本難題的有效方法。

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文獻鏈接：Aggregation-Resistant 3D MXene-Based Architecture as Efficient Bifunctional Electrocatalyst for Overall Water Splitting（ACS Nano, 2018, DOI: 10.1021/acsnano.8b02849）

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