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Guided Heterostructure Growth of CoFe LDH on Ti3C2Tx MXene for Durably High Oxygen Evolution Activity
Small ( IF 13.0 ) Pub Date : 2024-09-10 , DOI: 10.1002/smll.202404927 Jiali Sheng 1 , Jiahui Kang 1 , Pan Jiang 1, 2 , Kristoffer Meinander 3 , Xiaodan Hong 1 , Hua Jiang 1 , Nonappa 4 , Olli Ikkala 1 , Hannu-Pekka Komsa 5 , Bo Peng 1, 6 , Zhong-Peng Lv 1
Small ( IF 13.0 ) Pub Date : 2024-09-10 , DOI: 10.1002/smll.202404927 Jiali Sheng 1 , Jiahui Kang 1 , Pan Jiang 1, 2 , Kristoffer Meinander 3 , Xiaodan Hong 1 , Hua Jiang 1 , Nonappa 4 , Olli Ikkala 1 , Hannu-Pekka Komsa 5 , Bo Peng 1, 6 , Zhong-Peng Lv 1
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Heterostructures of layered double hydroxides (LDHs) and MXenes have shown great promise for oxygen evolution reaction (OER) catalysts, owing to their complementary physical properties. Coupling LDHs with MXenes can potentially enhance their conductivity, stability, and OER activity. In this work, a scalable and straightforward in situ guided growth of CoFeLDH on Ti3C2Tx is introduced, where the surface chemistry of Ti3C2Tx dominates the resulting heterostructures, allowing tunable crystal domain sizes of LDHs. Combined simulation results of Monte Carlo and density functional theory (DFT) validate this guided growth mechanism. Through this way, the optimized heterostructures allow the highest OER activity of the overpotential = 301 mV and Tafel slope = 43 mV dec−1 at 10 mA cm−2, and a considerably durable stability of 0.1% decay over 200 h use, remarkably outperforming all reported LDHs-MXenes materials. DFT calculations indicate that the charge transfer in heterostructures can decrease the rate-limiting energy barrier for OER, facilitating OER activity. The combined experimental and theoretical efforts identify the participation role of MXene in heterostructures for OER reactions, providing insights into designing advanced heterostructures for robust OER electrocatalysis.
中文翻译：
CoFe LDH 在 Ti3C2Tx MXene 上的引导异质结构生长，以实现持久的高析氧活性
层状双氢氧化物 （LDH） 和 MXenes 的异质结构由于具有互补的物理性质，因此在析氧反应 （OER） 催化剂方面显示出巨大的前景。将 LDH 与 MXenes 偶联可以提高其导电性、稳定性和 OER 活性。在这项工作中，引入了 CoFeLDH 在 Ti3C2Tx 上的可扩展且直接的原位引导生长，其中 Ti3C2Tx 的表面化学在所得异质结构中占主导地位，允许可调的 LDH 晶体畴尺寸。蒙特卡洛和密度泛函理论 （DFT） 的结合模拟结果验证了这种引导生长机制。通过这种方式，优化的异质结构允许在 10 mA cm-2 时实现过电位 = 301 mV 和塔菲尔斜率 = 43 mV dec-1 的最高 OER 活性，以及在 200 小时内衰减 0.1% 的相当持久的稳定性，显著优于所有已报道的 LDHs-MXenes 材料。DFT 计算表明，异质结构中的电荷转移可以降低 OER 的限速能垒，从而促进 OER 活动。实验和理论工作的结合确定了 MXene 在 OER 反应异质结构中的参与作用，为设计先进的异质结构以实现稳健的 OER 电催化提供了见解。
更新日期：2024-09-10
中文翻译：
CoFe LDH 在 Ti3C2Tx MXene 上的引导异质结构生长，以实现持久的高析氧活性
层状双氢氧化物 （LDH） 和 MXenes 的异质结构由于具有互补的物理性质，因此在析氧反应 （OER） 催化剂方面显示出巨大的前景。将 LDH 与 MXenes 偶联可以提高其导电性、稳定性和 OER 活性。在这项工作中，引入了 CoFeLDH 在 Ti3C2Tx 上的可扩展且直接的原位引导生长，其中 Ti3C2Tx 的表面化学在所得异质结构中占主导地位，允许可调的 LDH 晶体畴尺寸。蒙特卡洛和密度泛函理论 （DFT） 的结合模拟结果验证了这种引导生长机制。通过这种方式，优化的异质结构允许在 10 mA cm-2 时实现过电位 = 301 mV 和塔菲尔斜率 = 43 mV dec-1 的最高 OER 活性，以及在 200 小时内衰减 0.1% 的相当持久的稳定性，显著优于所有已报道的 LDHs-MXenes 材料。DFT 计算表明，异质结构中的电荷转移可以降低 OER 的限速能垒，从而促进 OER 活动。实验和理论工作的结合确定了 MXene 在 OER 反应异质结构中的参与作用，为设计先进的异质结构以实现稳健的 OER 电催化提供了见解。
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