Immobilizing Ultralow Loading Platinum Nanoparticles onto MXene through Defect Engineering to Enhance the Activity of the Hydrogen Evolution Reaction

过电位 塔菲尔方程 铂纳米粒子 交换电流密度 铂金 纳米颗粒 材料科学 分散性 过渡金属 纳米技术 催化作用 化学工程 化学 电化学 工程类 物理化学 有机化学 电极 高分子化学
作者
Maoda Xu,Jingle Huang,Xin Yue,Shaoming Huang
出处
期刊:ACS applied energy materials [American Chemical Society]
卷期号:7 (6): 2460-2468 被引量:12
标识
DOI:10.1021/acsaem.3c03270
摘要

Developing low-cost, highly active, and durable electrocatalysts for the hydrogen evolution reaction (HER) in acidic medium is essential for achieving the large-scale utilization of proton exchange membrane water electrolyzers. It has been demonstrated that non-precious-metal electrocatalysts are unable to substitute the most efficient platinum in a short period. Consequently, the fabrication of Pt-based heterogeneous electrocatalysts with ultralow loading and ultrahigh Pt utilization efficiency becomes a practical approach. Herein, an approach is reported to immobilize ultralow loading (∼0.26 wt %) Pt NPs to Mo vacancies on the surface of Mo 2 Ti 2 C 3 T x MXene. Because of the anchoring by Mo vacancies and the vast surface area of MXene, defect enriched Mo 2 Ti 2 C 3 T x supported Pt nanoparticles (Pt NPs/d-Mo 2 Ti 2 C 3 T x ) possess ultrasmall particle sizes (∼2.1 nm) and increased dispersity of Pt NPs. As a result, the as-prepared Pt NPs/d-Mo 2 Ti 2 C 3 T x reaches a current density 100 mA cm –2 at an overpotential of 123 mV. When compared to Pt/C (20 wt %), the mass activity of Pt on Pt NPs/d-Mo 2 Ti 2 C 3 T x is found to be 134 times higher. Meanwhile, it presents a high turnover frequency (8.49 H 2 s –1 at overpotential of 50 mV) and fast kinetics (a Tafel slope of 30.1 mV dec –1 ) as well as high durability (maintaining the current density of 100 mA cm –2 for more than 15 h). Theoretical simulations reveal that transferring electrons from Mo atoms regulated the d-band electronic structure of Pt NPs, resulting in a stronger interaction with adsorbed H species and ultimately boosting the HER activity.
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