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Surface-Functionalized Three-Dimensional MXene Supports to Boost Hydrogen Evolution Activity of Pt Catalysts in Alkaline Media

Title
Surface-Functionalized Three-Dimensional MXene Supports to Boost Hydrogen Evolution Activity of Pt Catalysts in Alkaline Media
Authors
홍혜지
Issue Date
2022
Department/Major
대학원 화학신소재공학과
Publisher
이화여자대학교 대학원
Degree
Master
Advisors
김동하
Abstract
본 연구의 목적은 MXene의 작용기와 수소 생성 반응 활성의 관계를 규명하는 것이다. MXene은 높은 전도도와 내구성을 갖고 있어 다양한 분야에 적용되고 있 다. 여기서, 유망한 백금 나노 입자 (Pt NPs)의 담지체로써, 특정 작용기를 갖고 있는 Ti3C2Tx의 수소 생성 반응 (HER)을 측정했다. 표면 위에 있는 특정 작용기들에 의해 Ti3C2은 다른 전기화학적 성질을 갖는다. 이 작용기의 효과는 도입된 Pt NPs 과의 상호작용을 최적화하는 중요한 역할을 하지만, 자세한 영향은 아직까지 연구되지 않았다. 본 연구에서는 MXene과 Pt 간의 상호작용과 그에 따른 HER 성능 향상에 미치는 작용기의 효과를 탐구했다. 간단한 방법으로 서로 다른 작용기를 가진 MXene을 합성했고 해당 작용기에 영향을 미치지 않는 polyol 방법으로 Pt를 도입하였다. 그 결과, Pt/Ti3C2(OH)x의 경우, -10 mA/cm2에서의 과전압이 58 mV로 제일 낮았으며 Pt/Ti3C2Ox (75 mV)와 Pt/C (87 mV)보다 작은 과전압을 보였다. Pt/Ti3C2Fx는 151 mV의 높은 과전압은 F-기에 의해 Pt MXene 간 상호작용이 약화된 것으로 사료된다. 또한, Pt/Ti3C2(OH)x는 30 mV/dec의 가장 낮은 tafel slope를 보였고 -10 mA/cm에서 12시간 동안 성능이 유지되었다. 이를 통해 -OH 기가 MXene의 전기전도도를 높이고 Pt와의 상호작용을 통해 가장 우수한 HER 성능을 보인다는 것을 알아냈다. 본 연구는 MXene의 작용기가 미치는 영향을 실험적으로 알아보았기에 추후 MXene의 연구 방향성을 제시하였음에 의의가 있다.;Alkaline water electrolysis is the most promising technology for green-hydrogen production, which is considered a cornerstone for achieving a carbon-neutral energy society. Overcoming the sluggish kinetics of alkaline hydrogen evolution reaction (HER), one of the most urgent challenges, motivates developing functional catalyst support materials. MXenes have been considered attractive candidates because of their distinctive hydrophilicity, oxophilic nature, high conductivity, and high (electro)chemical stability. Herein, we demonstrate the applicability of three-dimensionally interconnected Ti3C2Tx MXenes having various terminations as efficient support materials for Pt catalysts in the hydrogen evolution reaction (HER) in alkaline media. Due to the different termination groups on the surface of Ti3C2, each Pt/Ti3C2Tx catalyst exhibited specific electrochemical properties. Importantly, the OH functionalized Pt/Ti3C2(OH)x catalyst showed high HER activity, and the extensive activity comparison demonstrated that the Pt/Ti3C2(OH)x is one of the excellent alkaline HER catalysts. We also revealed with density-functional theory calculation that the effect of these surface functional groups, which has not been deeply investigated to date, play an important role in optimizing the hydrogen binding energy of supported Pt nanoparticles.
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일반대학원 > 화학신소재공학과 > Theses_Master
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