推进电催化技术：MXenes在水分解过程中的关键作用

来自 实验室仪器网

近期的一项研究探讨了一种增强用于水电解的析氧反应（OER）电催化剂的新方法。它专注于空位工程碳化钒（V2电脑断层扫描x）MXenes提高阴离子交换膜（AEM）电解槽的性能。目标是解决OER中对高效且具有成本效益的催化剂的迫切需求，这是通过电解可持续制氢的关键步骤。

水分解是绿色能源的基本过程，主要用于通过电解可持续地生产氢气。这个过程的一个关键步骤是OER，由于动力学缓慢和高活化能，它通常受到限制，使其成为能量最密集的阶段。

为了克服这些挑战，开发高效、低成本和稳定的电催化剂至关重要。在此背景下，CoFe-LDHs因其土壤丰富性、成本效益和在碱性介质中的强大催化活性而成为有前途的OER催化剂。然而，它们较差的电子导电性会阻碍整体性能。

为了解决这个问题，研究人员转向了先进的支撑材料，如MXenes、二维（2D）过渡金属碳化物和氮化物，这些材料以其高导电性、结构可调性和优异的电化学性能而闻名。其中，V2电脑断层扫描xMXenes因其卓越的电子迁移率而成为一种很有前途的选择。

研究人员合成并分析了Co0.66铁0.34-使用两种类型的MXenes的LDH复合材料：原始V2电脑断层扫描x和vacancy-engineeredV1.8电脑断层扫描x，含有10%的钒空位。他们制备了具有不同MXene含量（按重量计17%、33%、50%和75%）的复合材料，以了解载体类型和空位如何影响催化剂行为。

合成过程包括用氢氟酸进行选择性刻蚀，分层以将MXene层分离成薄片，以及尿素辅助热处理以将CoFe-LDH纳米颗粒锚定到MXene表面上。还使用各种表征技术制备和评估了纯CoFe和炭黑复合材料等参考材料，证实了MXene载体上成功形成LDH相。

使用电化学测试在碱性溶液中评估催化剂的性能。采用原位同步加速器X射线吸收光谱（XAS）来观察钴、铁和钒的氧化态变化。

CoFe-LDH@MXene复合材料的OER性能明显优于纯CoFe和其他参考材料。特别是空位工程V支撑的复合材料1.8电脑断层扫描xMXenes（CFVv系列）的性能优于具有PristineV的2电脑断层扫描x支持（CFV系列）。其中，CFVv75在10mAcm处实现了304mV的低过电位-2，令人惊讶地超过了所有其他测试的催化剂。

X射线衍射和电子显微镜表明MXene载体影响了CoFe-LDH颗粒的晶体结构和形貌。空缺设计的V1.8电脑断层扫描x导致具有无定形特征的更小的纳米晶LDH颗粒，由于表面积增加，这通常与更高的催化活性相关。

电化学阻抗谱显示复合材料中的电荷转移得到改善，尽管界面处的一些复杂相互作用表明MXene组成和空位影响了这种行为。同样，Tafel斜率分析表明，OER中的速率确定步骤转移到复合材料的后期阶段（例如形成OOH或O2），表明反应机制增强。

原位X射线吸收光谱发现，钴的氧化范围超出了Co3+到Co4+，而钒则从V不可逆地氧化4+到V5+.这些综合效应有助于稳定活性位点并改善电子转移，从而提高整体催化性能。

尽管在长时间使用过程中有一些钒损失，但在100mAcm下测试12小时后，复合材料仍保持了稳定性，降解最小-2.在实际电解槽设备中的测试证实了这些优势，CFVv75的电流密度接近450mAcm-2在2.0V时，在比纯CoFe催化剂低约100mV的电压下工作。

OER活性和稳定性的提高凸显了这些材料作为碱性水电解槽的高效且经济的阳极催化剂的潜力。通过将低成本、丰富的金属与先进的2DMXene载体相结合，该研究解决了导电性差和活性位点暴露受限等问题。

调整MXenes中空位的能力提供了一种灵活的方法来微调催化剂与其载体之间的相互作用，从而更好地控制它们的电子特性。这些材料在实际条件下的膜电极组件中也表现良好，支持了它们大规模绿色氢气生产的潜力，并为其他清洁能源技术的应用铺平了道路。

研究表明，MXenes中的空位工程通过提高催化活性、电荷转移和作稳定性，显著提高了CoFe-LDH复合材料的OER性能。这些进步为开发用于清洁氢气生产的高效、低成本和可扩展的负极材料提供了一种新方法。

未来的工作应提高基于MXene的复合材料在实际条件下的长期耐久性，进一步调整空位结构以最大限度地提高催化效率，并将工程MXene的应用扩展到OER以外的其他电化学过程。总体而言，这些发现为创建下一代电催化剂提供了有价值的设计原则，并标志着朝着推进清洁能源技术迈出了重要一步。

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