In-situ Electrochemically Grown Platinum Telluride as an Electrocatalyst for Active Hydrogen Evolution

Abstract

Two dimensional (2D) layered catalysts have been considered an ideal type of catalyst for hydrogen evolution reaction (HER) due to their abundant active sites with almost zero Gibbs energy change for hydrogen adsorption. Despite the promising performance, the design and synthetic method of stable and economic electrochemical catalyst based on 2D materials should still be solved for industrial scale hydrogen production. In this study, layered platinum telluride (mitrofanovite, Pt3Te4) was grown as nanorod-shaped nanocrystals on molybdenum ditelluride (MoTe2) by facile and economic electrochemical deposition method. Studies of its composition, chemical states and the crystallography using X-ray photoelectron spectroscopy (XPS), X-ray diffraction (XRD), transmission electron microscopy (TEM), X-ray fluorescence (XRF), X-ray adsorption spectra (XAS) and Laue patterns show that our as-grown Pt3Te4 nanorods have an orthorhombic structure, which is uniquely composed of two monolayer units of PtTe and PtTe2. Recently, TMDs have been considered as promising electrochemical catalysts for hydrogen production with abundant active sites including basal planes, defects and the edges. Platinum chalcogenides such as PtS2, PtSe2, and PtTe2 is rising issue among group 10 TMDs and their electrochemical catalytic performance and electronic structures has studied. Platinum chalcogenides have been examined to study their potential applications as the catalyst for HER with reducing the use of precious Pt. It is beneficial and necessary to proceed extensive researches for HER catalytic activity beyond group 6 TMD. In this study, Pt3Te4 nanorods, layered platinum tellurides (Pt3Te4, mitrofanovite), serves as an efficient and stable catalyst for HER with an overpotential of 39.6 mV and Tafel slope of 32.7 mV/dec, showing high current density of exceeding 7,000 mA/cm2. Theoretical calculations exhibit that the Pt3Te4 nanorods with numerous edges shows near-zero Gibbs free energy change of hydrogen adsorption, which exhibits the excellent HER performance as well as extremely large exchange current density for massive hydrogen production.;수소에너지는 화석연료를 대체할 깨끗하고 지속가능한 에너지로서 주목받고 있다. 다양한 수소생산 방식 중 물의 전기분해를 통해 수소를 생산하는 방식은 부산물이 산소라는 점과 고순도의 수소를 생산할 수 있다는 장점이 있으나, 생산 단가가 높아 상용화에 어려움을 겪고 있다. 수전해 수소생산 단가를 낮추기 위해서는 백금과 같은 귀금속 함량을 낮추면서도 수전해 효율은 뛰어난 촉매 개발이 필수적이다. 본 연구에서는 빠르고 간단하게 조건을 조절할 수 있는 전기화학적 방법을 이용하여 MoTe2 단결정 위에 Pt3Te4 화합물을 합성했다. 합성한 Pt3Te4 화합물의 물성을 분석하고 표면 분석을 진행한 결과, 높은 결정성을 가진 나노기둥 형태의 Pt3Te4 화합물이 합성되었음을 확인할 수 있었다. 수소발생반응을 위한 촉매로서 성능을 측정했을 때, 합성한 Pt3Te4 화합물은 39.6 mV 의 과전압과 32.7 mV/dec 의 타펠기울기를 보였다. 이는 지금까지 보고된 백금 칼코겐 화합물 중 가장 좋은 성능을 나타내며 상용화된 백금 촉매와 비슷한 수준이다. 합성한 Pt3Te4 화합물은 -0.7 V에서 -7,000 mA/cm2 정도의 굉장히 높은 전류밀도를 보인다. -100 mA/cm2 의 높은 전류밀도 조건에서 안정성 실험을 진행했을 때, 40 시간 후에도 초기 성능의 90 % 이상을 유지한 결과를 통해 합성한 Pt3Te4 화합물의 높은 안정성을 확인했다. 나노기둥 형태를 갖춘 Pt3Te4 화합물은 촉매로서 넓은 활성면적을 가지면서 수소 기체 방울을 더 빨리 제거할 수 있으므로 수소생산속도가 빠르다. PtTe의 가장자리에서 백금과 비슷한 △G을 보인다는 계산결과는 Pt3Te4 화합물이 나노기둥 형태를 가지기 때문에 가장자리가 많은 구조라는 것을 고려했을 때, 합성한 Pt3Te4 화합물의 뛰어난 수소생산 촉매 성능을 뒷받침해주는 근거가 된다. 본 연구는 쉽고 간단한 전기화학적 방법을 통해 Pt3Te4 화합물을 합성했고 수소 대량생산에 적합한 촉매로서 Pt3Te4 화합물의 가능성을 확인했다는 것에 의의가 있다.