InfoMat:多原子层钒碳MXene的表面反应性修饰用于高效电催化水氧化

作为二维材料家族中的新秀,MXene系列材料(M2X,M3X2和M4X3;M为金属,X为碳或氮元素)具有独特的层状前过渡族金属碳/氮化合物骨架结构和高表面反应活性,特别适合于通过表面修饰构筑二维复合结构,近几年来已在新材料研究领域引起了广泛的关注。但需要注意的是,已有研究表明在表面反应性修饰,尤其是表面合金化反应的过程中,MXene表面的金属原子层将由于反应而被拔出。因此,典型的具有M2X和M3X2骨架结构的MXene在修饰过程中不可避免地会遭受骨架破坏,造成产物结构的偏差。

结合前期研究,新加坡南洋理工大学颜清宇教授团队与清华大学李水清教授、郑州大学刘宪虎副教授展开合作,选取了具有更多原子层骨架结构的碳化钒基MXene(V4C3)作为基底,以期通过表面合金化反引入镍铁元素对V4C3进行修饰的同时保持MXene结构的稳定,进而获得新颖复合电催化剂材料。实验表明,当MXene基底中原子层数增多时,表面反应消耗的金属原子不会造成MXene内部碳化钒层状骨架的破坏,在表面合金化修饰后仍能保持MXene的高导电二维骨架网络。同时,以V4C3基MXene作为反应性载体可以有效促进多元合金纳米团簇在其表面的稳定,并可用于一步形成含多元金属的后续产物。在电化学氧化的条件下,上述修饰的多元合金团簇可以原位转化为含镍铁钒三元金属的羟基氧化物纳米结构覆盖在MXene表面,形成二维复合结构。电催化水氧化研究显示,上述所得复合电催化剂具有较单一材料更优异的电催化活性和稳定性。在最优化的镍铁比例下,其电催化水氧化过电位仅需275.2毫伏,优于传统贵金属氧化铱催化剂(IrO2,311.4毫伏)。同时,对上述电催化剂的表面积-活性归一化研究及理论计算模拟结果显示,这一电催化活性的增加不仅与镍铁比例有关,也与V4C3基MXene基底的协同影响相关。

图1. (a) V4C3 MXene的层状结构示意。(b) 表面修饰后的二维复合材料。(c)系列复合电催化剂的电催化水氧化性能及 (d) 表面积-活性归一化前后过电位的比较。

上述研究结果证实了基于M4X3骨架的MXene材料具有比经典M2X和M3X2 MXene更好的表面反应稳定性,为该类材料在其他复合材料设计领域的应用提供了新的经验。相关论文在线发表在InfoMat (DOI: 10.1002/inf2.12078)上。