MXenes复合电解水催化剂的设计合成、界面调控及机理研究

Hydrogen evolution from water splitting is regarded as one of the most promising strategies for reducing environmental pollution and realizing renewable clean energy, thus the development of efficient and durable non-precious metal bifunctional electrocatalysts is of great importance for scientific and industrial significance. 2D MXenes material possesses unique surface chemical structure, which not only shows electrocatalytic activity, but also can serve as an ideal conductive support. On the basis of our previous research, this project is proposed to prepare MXenes based water splitting electrocatalysts via optimization of interfacial structure. Ti or Mo containing MXenes will be selected as support for the growth of porphyrin based 2DMOFs nanosheets. Furthermore MXenes will be wrapped by a thin layer of polymer containing heteroatoms, which will provide “anchoring sites” for the growth of 2DMOFs. Self-doping carbonization and sulfurization/phosphorization are selected to prepare MXene based nanocomposites. The electroctalytic activities will be modulated by the interfacial coupling among MXenes/heteroatom-doped carbon film/2DMOFs derived nanosheets, and simultaneously the anti-oxidation ability will be improved. In order to disclose the bifunctional electrocatalytic mechanism, systematic characterizations for the components and nanostructures of electrocatalyts before and after reactions will be carried out. This project is aiming to develop promising MXenes based 2D hybrid nanocomposites as non-precious water splitting electrocatalysts, as well as provides novel materials and reliable scientific basis.

电解水产氢被认为是减少环境污染及实现可再生清洁能源的重要途径之一，开发高效、稳定的非贵金属双功能催化剂具有重要的科学价值和现实意义。二维（2D）MXenes材料具有特殊的表面化学结构，既有电催化活性又是导电载体。基于我们前期电催化研究基础，本项目提出通过优化界面结构制备MXenes基复合电解水催化剂。拟利用含Ti、Mo类MXenes为载体生长卟啉基2DMOFs纳米片，进一步利用富含杂原子聚合物包覆MXenes，为2DMOFs生长提供“着床”位点，通过自掺杂碳化、硫/磷化等制备MXenes基复合材料；通过MXenes/掺杂碳膜/2DMOFs衍生纳米片之间的界面耦合作用调控电催化活性中心，同时提高其抗氧化性；通过系统表征催化剂反应前后的组成与结构变化，结合理论模拟揭示双功能电催化机理。本项目研究为推动MXenes基二维杂化材料在非贵金属电解水领域的应用提供重要的新型材料和可靠的科学依据。

化石能源的日益枯竭和逐渐恶化的环境迫切要求人们开发可再生能源和清洁能源。氢能是清洁的二次能源，是改善环境的重要技术研究方向，电解水制氢是目前最有前景的制氢技术之一。电解水过程包含电化学析氢反应（HER）和电化学析氧反应（OER）两个过程，受限的反应动力学往往导致较高的过电位，需要高性能的电催化剂加速反应进行。目前，活性最佳的HER或OER催化剂仍然主要基于Pt基催化剂，或者IrO2和RuO2等贵金属，但是其高成本、低储量、长期运行稳定性差等缺点限制了大规模应用，因此制备高活性和高催化稳定性的电催化剂是一个十分重要的研究课题。.本项目首先建立了电催化剂的可控制备方法，系统研究了电催化剂的电化学参数以及电解水制氢的性能，并对其催化机理和长期产氢稳定性进行了研究，主要取得以下研究结果：1) 电催化材料的制备：包括超薄碳膜包覆MXene等二维片状纳米片电催化剂，同轴Ni/Ni3S2直接生长在N-掺杂纳米纤维的电催化剂，以及富含氧缺陷的钼酸镍纳米结构电催化剂的制备；2）尿素辅助电解水制氢装置的性能研究：包括电催化活性，电极动力学和长期产氢稳定性；3）产氢机理的分析：探明肖特基界面对促进尿素氧化反应的催化机理，探明氧缺陷、异质界面等对活性中心电子结构的调控作用，以及对中间产物的吸附和活化机制。这些研究成果将为杂化电解水制氢的应用提供电极材料基础和理论支撑。.项目取得以下主要成果：在ACS Appl. Mater. Interfaces, ChemsusChem, J. Colloid. InterfaceSci., J. Mater. Chem. A杂志上发表学术论文5篇；授权申请中国发明专利1项；协助培养毕业硕士研究生4人。