Theory-guided synthesis of a 2D tungsten titanium MXene from a covalently bonded layered carbide for electrocatalysis

电催化剂 碳化钨 共价键 材料科学 碳化钛 碳化物 纳米技术 冶金 化学 电化学 电极 物理化学 有机化学
作者
Anupma Thakur,Wyatt Highland,Brian C. Wyatt,Jiayi Xu,Nithin Chandran,Bowen Zhang,Zachary D. Hood,Shiba P. Adhikari,Emad Oveisi,Barbara Pacáková,Fernando Vega,Jeffrey Simon,Colton Fruhling,Benjamin Reigle,Mohammad Asadi,Vladimir M. Shalaev,Alexandra Boltasseva,Thomas E. Beechem,Cong Liu,Babak Anasori
标识
DOI:10.26434/chemrxiv-2024-dprbn
摘要

Two-dimensional transition metal carbides, nitrides, and carbonitrides, known as MXenes, hold potential in electrocatalytic applications. Tungsten (W) based-MXenes are of particular interest as they are predicted to have low overpotentials in hydrogen evolution reaction (HER). However, incorporating W into the MXene structure has proven difficult due to the calculated instability of its hypothetical MAX precursors. In this study, we present a theory-guided synthesis of a W-containing MXene, W2TiC2Tx, derived from a non-MAX nanolaminated ternary carbide (W,Ti)4C4-y precursor by selective etching of one of the covalently bonded tungsten layers. Our results indicate the importance of W and Ti ordering and the presence of vacancy defects for the successful selective etching of the precursor. We confirm the atomistic out-of-plane ordering of W and Ti using density functional theory, Rietveld refinement, and electron microscopy methods. Additionally, the W-rich basal plane endows W2TiC2Tx MXene with a remarkable HER overpotential (~144 mV at 10 mA/cm2). This study adds a tungsten-containing MXene made from a covalently bonded non-MAX phase opening more ways to synthesize novel 2D materials.
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