论文标题：MXene supported PtCo bimetallic catalyst for hydrogen evolution in acidic conditions

期刊：Frontiers in Energy

作者：Guangxun CHEN, Jian-hua ZHANG, Kai-Ling ZHOU, Yang YANG, Haoxiang MA, Yuhong JIN, Jingbin LIU, Hao WANG

发表时间：15 Jun 2024

DOI：10.1007/s11708-024-0925-9

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文章内容

氢能被认为是一种具有高能量密度和零污染排放的有前景的解决方案。目前，氢气主要来源于化石燃料，这增加了能源消耗和温室气体排放，从而阻碍了实现碳中和目标。利用可再生能源进行电化学分解水是一种环保可持续的制氢方法。为了提高制氢效率并减少能源消耗，有必要找到一种高效的析氢（HER）催化剂。

铂（Pt）族元素由于其卓越的天然活性而常被用作HER催化剂。但这些资源的稀缺性和高昂的价格广泛应用受到了限制。提高金属原子利用率以开发低负载Pt催化剂至关重要。最近，负载型催化剂被广泛研究。这些方法旨在最大限度地减少贵金属负载量，同时保持其卓越的活性。MXene材料是一种具有层状纳米结构、高导电性、良好亲水性和丰富表面化学性质的材料，在催化领域得到广泛应用。

来自北京工业大学的周开岭、金玉红、汪浩团队和中国科学院深海科学与工程研究所杨阳团队采用逐步还原法在 Ti₃C₂T_x MXene基底负载PtCo双金属催化剂 ，并制备不同Pt-Co原子比的PtCo/MXene催化剂，探讨了其在酸性条件下对于氢气发生反应（HER）的催化活性。

逐步还原法制备 PtCo/MXene 的示意图

研究发现，Co的引入优化了Pt的电子结构，增强了催化活性。PtCo/MXene展示出卓越的HER性能， 在−10mA/cm²和−100 mA/cm²的电流密度下过电位分别为60mV和152mV，并在0.5mol/L H₂SO₄ 溶液中展现出优异的稳定性。将PtCo双金属纳米颗粒与具有良好电导性的二维MXene结合，显著增加了催化剂的表面积，并最小化了电荷传输阻力，为高效催化提供了良好的物理基础。实验和计算表明，PtCo/MXene促进了酸性介质中H*的脱附，并提高了HER活性。

这项工作为在MXene上引入低负载贵金属并保证其活性和稳定性提供了有价值的研究视角。

文章信息

MXene supported PtCo bimetallic catalyst for hydrogen evolution in acidic conditions

Guangxun CHEN, Jian-hua ZHANG, Kai-Ling ZHOU, Yang YANG, Haoxiang MA, Yuhong JIN, Jingbin LIU, Hao WANG

Abstract:

Using the electrochemical technology to split water molecules to produce hydrogen is the key to obtain green hydrogen for solving the energy crisis. The large-scale application of hydrogen evolution reaction (HER) in water dissociation requires a highly active catalyst. In this paper, the highly dispersed PtCo bimetallic nanoparticles loading on MXene (PtCo/MXene) were prepared by using a step-to-step reduction strategy. The mentioned PtCo/MXene catalyst exhibits a high current density of −100 mA/cm2 in an acidic medium with just a 152 mV overpotential. In addition, the PtCo/MXene catalyst also displays a superior stability. Computational analysis and experimental testing demonstrate that the electronic interaction between Pt and Co can effectively modify the electronic structure of the active site, thereby enhancing the inherent catalytic performance of the material. More importantly, MXene two-dimensional nanosheets can expose more active sites because of their large specific surface area. Furthermore, MXene substrate with excellent electrical conductivity and harmonious interfaces between PtCo and MXene enhance charge transfer efficiency and lower the reaction activation energy.

Cite this article:

Guangxun CHEN, Jian-hua ZHANG, Kai-Ling ZHOU, Yang YANG, Haoxiang MA, Yuhong JIN, Jingbin LIU, Hao WANG. MXene supported PtCo bimetallic catalyst for hydrogen evolution in acidic conditions. Front. Energy, 2024, 18(3): 369–377

https://doi.org/10.1007/s11708-024-0925-9

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通讯作者简介

周开岭，副教授，博士生导师。研究兴趣集中在氢能材料关键技术研究（催化电解水产氢、氢燃料电池等）、柔性电极材料设计及其应用研究（银纳米线、铜纳米线、石墨烯等）、无机电致变色材料设计及其应用研究（WO3、NiO等）。目前，在Nature Communications，Advanced Science，Energy & Environmental Science，Journal of Materials Chemistry A，Chemical Engineering Journal, ACS Applied Materials & Interfaces等国际一流刊物上发表SCI论文30余篇，总引用次数约350次，1篇入选 ESI 高被引论文，参与国家自然科学基金项目2项、北京市自然科学基金重点项目1项、北京市科技新星计划项目1项，装备预研基金1项。详情：

https://yanzhao.bjut.edu.cn/yanzhao_old/info/1200/5564.htm

杨阳，博士，研究员，博士生导师，“国家优秀青年科学基金”获得者，“中国科学院海外人才引进计划青年项目”择优支持、中国科学院特聘骨干研究员、清华大学、东南大学兼职研究生导师、权威期刊《IEEE Sensors Journal》副主编、“海南省领军人才”。研究兴趣集中在海洋探测传感器、海洋可再生能源（波浪能、潮流能、温差能等）收集技术、海洋柔性电子及传感器等方面。目前，共发表学术论文40余篇（包括中国科学院1区论文21篇，期刊封面论文6篇，亮点论文1篇），撰写美国能源部技术报告1份，申请美国/国家发明专利7项，登记软件著作授权1项。研发的传感器在环境监测、水生动物监测、电池健康监测、工业生产监测、人体健康监测等领域取得了一系列创新性成果，成果被《Advanced Science News》等著名科技媒体专题报道，被《Science》《Nature Electronics》《Nature Materials》《Nature Energy》等期刊引用并给予高度评价。详情：

https://people.ucas.edu.cn/~yangyang0513

金玉红，博士、助理研究员、硕士生导师。主要从事过渡金属基材料的结构设计以及离子输运调控提高其储锂/钠性能、超电容性能和电催化性能。近5年，在Nature Communications, Advanced Science, Advanced Functional Materials, Energy Storage Materials,等期刊发表SCI论文60余篇，其中1篇ESI，申请国家发明专利10余项。主持北京市教委项目1项，北京工业大学基础研究A类项目1项，北京工业大学碳中和项目1项，参与国家及北京市自然科学基金2项，北京市科委“揭榜挂帅”项目1项，国家电网科技项目1项。详情：

https://yanzhao.bjut.edu.cn/yanzhao_old/info/1159/6772.htm

汪浩，博士，教授，博士生导师。研究兴趣集中在锂离子电池材料、金属-空气电池、电致变色材料与器件、电催化分解水催化剂材料等方面。目前，在国内外核心期刊上共发表论文80多篇，其中SCI收录的论文逾60篇，获得中国发明专利15项。详情：

https://yanzhao.bjut.edu.cn/yanzhao_old/info/1200/3549.htm

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