2023-11-28
电解水析氢是一种极具实用前景的制氢技术。碱性介质中的析氢反应（HER）受到过电位高、动力学缓慢等因素限制，需要高效的HER催化剂推动电解水制氢技术的发展。负载型催化剂具有高贵金属利用率和良好的催化性能，是一种有实用前景的HER催化剂。金属-载体相互作用（MSI）是负载型催化剂的重要描述符。MSI带来的电子效应可以调控金属物种电子结构，从而实现活性位点对HER中间步骤能垒的优化，进而提升催化剂的催化性能。优化载体表面化学环境是调控金属-载体相互作用，实现高效HER催化剂制备的一种有效策略。
基于此，本文通过在Ti3C2Tx MXene表面构建不同的空位结构：几乎无空位（Ti3C2Tx-V0）、单Ti原子空位（Ti3C2Tx-VS）、Ti空位簇（Ti3C2Tx-VC）。利用不同的阳离子空位结构锚定钌（Ru）金属团簇，不同的空位结构为Ru团簇提供不同的配体环境，从而实现具有Ru-F/O、Ru/C/F/O和Ru-C配体环境的Ru@Ti3C2Tx-V0/VS/VC新型催化剂。相较于Ti3C2Tx-V0和Ti3C2Tx-VS，Ti3C2Tx-VC空位簇上暴露的晶格碳与Ru团簇形成的Ru-C配位带来超强的MSI。MSI的电子效应有效地调控了碱性介质中HER的关键中间步骤的能垒，其中，Ru@Ti3C2Tx-VC表现出最强的H2O吸附，可忽略的H2O解离能垒，以及优化的OH/H解吸动力学，从而为碱性HER提供了超越商业Pt/C的优异催化活性。
文章亮点：
1）构建具有不同阳离子空位结构的MXenes，空位工程修饰的MXenes为贵金属团簇提供不同的锚定环境。
2）空位的引入为贵金属团簇提供的晶格碳配体环境带来增强的MSI，这种强MSI优化了HER中间步骤能垒。
3）超强MSI对HER反应中间体解离/吸附行为的优化使得Ru@Ti3C2Tx-VC催化剂在碱性HER中表现出优异的催化活性和稳定性。
文章链接：https://onlinelibrary.wiley.com/doi/full/10.1002/aenm.202300148
