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界面作用“显身手”:NiSe2/Ti3C2Tx(MXene)助力超电及电催化分解水!

已有 848 次阅读 2019-5-19 14:55 |系统分类:论文交流| MXene纳米片, NiSe2, 析氢反应, 电催化, 分解水

Ultrathin Ti3C2Tx (MXene) Nanosheet-Wrapped NiSe2 Octahedral Crystal for Enhanced Supercapacitor Performance and Synergetic Electrocatalytic Water Splitting

Hanmei Jiang, Zegao Wang, Qian Yang, Luxi Tan, Lichun Dong*, Mingdong Dong*

Nano-Micro Lett. (2019) 11: 31

https://doi.org/10.1007/s40820-019-0261-5

本文亮点     

1  采用超薄MXene纳米片包裹NiSe2八面体晶体,建立了NiSe2纳米晶体与MXene纳米片(NiSe2/Ti3C2Tx)之间的强界面化学相互作用。

2  NiSe2/Ti3C2Tx复合在超级电容器和析氢反应中均表现出优异的性能和循环稳定性。

3  NiSe2纳米晶是因MXene纳米薄片作为其氧化的保护层而稳定的。

内容简介      

硒化金属化合物,如NiSe2,作为一种多功能的储能和交流材料,显示出巨大的潜力。然而,由于纯NiSe2循环稳定性差、电导率低、电化学活性位点不足,限制了其作为电极材料的应用。

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为了弥补这些缺陷,重庆大学董立春教授课题组采用超薄MXene纳米片包裹NiSe2八面体晶体,制备了一种界面相互作用强、电性能优良的新型NiSe2/Ti3C2Tx复合体。

NiSe2/Ti3C2Tx混合表现出良好的电化学性能,在电流密度为1 A/g时,超级电容器的比电容的高达531.2 F/g,同时,用于析氢反应时,塔费尔斜率仅仅为37.7 mV/dec。

此外,NiSe2/Ti3C2Tx复合材料在超级电容器和HER中的循环稳定性都得到了提高。

相比于NiSe2,这些显著的改善应归因于NiSe2八面体晶体和Ti3C2Tx强的界面相互作用,提供增强的电导率、快速电荷转移以及丰富活跃的活性位点,同时这种组合的多功能应用是有潜力的,如能量储存和转换。

图文导读     

NiSe2和NiSe2/Ti3C2Tx复合材料的微观形貌与结构分析

如图1所示,未修饰的NiSe2和NiSe2/Ti3C2Tx复合材料在扫描电镜下均表现出典型的八面体配置,平均尺寸在1μm左右。

然而,NiSe2/Ti3C2Tx晶体表面的玻璃似乎相对较多。TEM进一步分析表明,这一现象可能是由于八面体NiSe2粒子表面均匀覆盖了Ti3C2Tx纳米薄片的超薄层(图1c),这可能为电荷存储或电催化提供了额外的电输运路径。

图1 不含(a)和含(b)Ti3C2Tx复合物的NiSe2的SEM图像。(c,d)不同放大倍数的NiSe2/Ti3C2Tx复合物的TEM图像。(e)HAADF−STEM图像的NiSe2/Ti3C2Tx混合和相应的EDX元素映射的Ni, Se,和Ti元素。

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NiSe2和NiSe2/Ti3C2Tx复合材料的电化学性能分析

NiSe2NiSe2/Ti3C2Tx复合材料的超电性能分析

从图3可以看出,相比于未修饰的NiSe2,NiSe2/Ti3C2Tx复合材料的容量有较大程度的提高,此外,由于MXene的表面修饰,材料的导电性也有了较大提高,接触内阻也有所下降。

图3 超级电容器在2 M KOH溶液中的性能: (a) 未修饰NiSe2和NiSe2/Ti3C2Tx在10 mV/s扫速下的CV图。(b)未修饰NiSe2和NiSe2/Ti3C2Tx在1.0 A/g电流密度下的GCD曲线。(c)未修饰NiSe2和NiSe2/Ti3C2Tx的电流密度比容图。(d)未修饰的NiSe2和NiSe2/Ti3C2Tx的Nyquist图(插图为高频区域和拟合实验数据的等效电路)

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NiSe2NiSe2/Ti3C2Tx复合材料的HER性能分析

如图4所示,该复合产物具有较好的催化活性。NiSe2/Ti3C2Tx电极性能的提高是由于电荷从NiSe2转移到Ti3C2Tx,这可能提供了更快的吸附动力学和更高的活性位点利用率,从而提高了HER效率

图4 在0.5 M H2SO4溶液中的催化性能:(a)未改性的NiSe2、NiSe2/Ti3C2Tx复合物、纯Ti3C2Tx、20 wt%Pt/C在扫描速率为5 mV/s的玻碳电极的LSV曲线。(b)未改性的NiSe2、NiSe2/Ti3C2Tx复合物、纯Ti3C2Tx、20 wt%Pt/C的Tafel图。(c)用循环伏安法提取不同电极的双层电容。(d)不同电极材料阻抗图。

作者简介

董立春

(本文通讯作者)

教授

重庆大学化学化工学院副院长

主要研究方向:

① 催化反应工程:开展二氧化碳化学利用领域的催化机理研究。

如二氧化碳加氢制二甲醚催化剂的研究,利用分子模拟和实验技术探索二氧化碳在催化剂上的吸附活化机理和二氧化碳加氢制二甲醚过程的反应机理,明确基元反应,建立反应动力学。

② 化工分离:开展反胶束萃取、离子交换吸附等新型化工分离方法的研究。

用于生物活性物质和超低浓度金属离子的分离以及工业应用。

③ 催化剂工程:开展树脂型固体超强酸催化剂、1,4丁二醇脱氢制g−丁内酯催化剂、甲烷二氧化碳转化制合成气催化剂的研究。

通过改变催化剂体系和采用新型制备方法,增加催化剂的活性及稳定性。

④ 微流控学:研究微液滴在微通道及疏水表面上的形成、移动,已完成反应、汇合、检测等单元操作,为微流控的设计提供理论基础。

Email: lcdong72@cqu.edu.cn

Mingdong Dong

(本文通讯作者)

丹麦奥胡斯大学跨学科纳米科学中心 (iNANO)

主要研究方向:

① 纳米物体的生物分子和新材料的物理和化学性质。

为了研究分子的力学性能,使用谐波原子力显微镜技术。

 理解和控制纳米结构的自组装。

在所有这些研究中,开发了最先进的SPM技术。

E−mail:dong@inano.au.dk

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