氢键自组装与低温固相转化:构筑高效电催化全解水的MXene基复合材料

作为一类新兴的二维材料,MXene近年来受到了纳米、能源存储、能源转换等领域科研人员的广泛关注。尤其是在电催化分解水应用中,由于MXene具有可调的金属-碳/氮化合物特征及良好的导电性,已经有一些研究人员开始注意到以MXene为基体构筑的非贵金属基纳米复合材料在电催化分解水领域的重要应用前景。

然而,作为最常用的一类MXene,Ti3C2Tx目前尚存在催化活性不高的问题。因此,寻找合适的活性材料和合成方法,实现对Ti3C2Tx MXene的表面修饰和复合结构的构筑,是进一步提高该材料电催化活性的重要手段。

针对Ti3C2Tx MXene表面存在丰富的−OH、−F等官能团这一特点,新加坡南洋理工大学颜清宇教授课题组近期报到了一种利用这些表面官能团的氢键作用诱导MXene与金属氢氧化物纳米片自组装并进行低温固相反应的合成方法,成功合成了一系列以镍铁双金属硫代磷酸盐纳米马赛克(Ni1−xFexPS3)进行表面修饰的MXene基0维−2维复合材料。在自组装过程中,反应的驱动力为金属氢氧化物纳米片表面的氢氧根与MXene表面的−F官能团形成的氢键相互作用。同时,由于金属氢氧化物纳米片表面氢氧根之间的斥力作用,组装后的产物可以在水中维持稳定。通过冷冻干燥方法,可以得到保持良好纳米片形貌的MXene基纳米复合物。相较于其它自下而上的生长方法,该组装方法简单易行,且可以获得面−面堆积的复合材料。在进一步与单质磷与硫的共同固相反应中,金属氢氧化物纳米片将转化为金属硫代磷酸盐。同时,由于生成的金属硫代磷酸盐与MXene基底的晶格失配,最终金属硫代磷酸盐将形成纳米马赛克状产物并覆盖在MXene表面。这也是首次在MXene表面上实现金属硫代磷酸盐化合物的复合。

通过调节镍:铁的比例,可观察到该复合物的OER性能随铁掺杂量的增加而逐步提升,在镍:铁比为7:3时出现最优值,达到10 mA·cm−2电流密度的产氧过电位仅为282 mV, 塔菲尔斜率为36.5 mV·dec−1。而对于HER反应,当镍:铁比为9:1时该复合材料具有最好的催化活性(电流密度达到10 mA·cm−2的产氢过电位为196 mV,塔菲尔斜率114 mV·dec−1)。而以上述两部分复合材料分别作为正负极组装进行电催化全解水测试时,该组合达到10 mA·cm−2电流密度时的工作电位仅需1.65 V,优于二氧化铱/铂碳基的贵金属催化剂组合。

该复合材料的成功合成不仅为MXene基复合材料的设计合成提供了新的方法指导,也对其它材料的组装合成提供了重要的思路。相关文章在线发表在Advanced Energy Materials(DOI: 10.1002/aenm.201801127)上。