Synthesis of a 2D tungsten MXene for electrocatalysis

电催化剂 材料科学 冶金 纳米技术 化学 电化学 电极 物理化学
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,Paweł Piotr Michałowski,Vladimir M. Shalaev,Alexandra Boltasseva,Thomas E. Beechem,Cong Liu
标识
DOI:10.26434/chemrxiv-2024-dprbn-v2
摘要

Two-dimensional transition metal carbides, nitrides, and carbonitrides, known as MXenes, are of interest as electrocatalysts. Tungsten- (W) based MXenes are predicted to have low overpotentials in the hydrogen evolution reaction (HER), however, their synthesis 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-based MXene, W2TiC2Tx, derived from a non-MAX nanolaminated ternary carbide (W,Ti)4C4-y precursor by the selective etching of one of the covalently bonded tungsten layers. Our results indicate the importance of W and Ti ordering, the presence of vacancy defects in the metal layers, and lack of oxygen impurities in the carbon layers for the successful selective etching of the precursor. We confirm the atomistic out-of-plane ordering of W and Ti using computational and experimental characterizations. The W-rich basal plane endows W2TiC2Tx MXene with high electrocatalytic HER performance (overpotential ~144 mV at 10 mA/cm2). This study reports a W-based MXene synthesized from a covalently bonded non-MAX precursor, adding to the synthetic strategies for 2D materials.
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