低Pt负载MXene-碳纳米管气凝胶薄膜及制备方法和应用.pdf

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1、(19)国家知识产权局(12)发明专利申请(10)申请公布号 (43)申请公布日 (21)申请号 202410010328.5(22)申请日 2024.01.04(71)申请人 中国科学院合肥物质科学研究院地址 230031 安徽省合肥市蜀山区蜀山湖路350号(72)发明人 陈斌张翔潘其军万锐王宇光吴笑笑陈含(74)专利代理机构 合肥和瑞知识产权代理事务所(普通合伙)34118专利代理师 魏玉娇(51)Int.Cl.B01J 13/00(2006.01)C25B 11/091(2021.01)C25B 1/04(2021.01)C25B 11/067(2021.01)C25B 11/054(2。

2、021.01)(54)发明名称低Pt负载MXene-碳纳米管气凝胶薄膜及制备方法和应用(57)摘要本发明属于气凝胶材料技术领域，具体涉及一种低Pt负载MXene碳纳米管气凝胶薄膜及制备方法和应用。本发明在MXene纳米片胶体悬浮液中加入H2PtCl6溶液得到PtMXene纳米片悬浮液，与碳纳米管悬浮液混合后置于预先在液氮中冷却的金属板表面快速冷冻，然后冷冻干燥，即获得具有垂直多孔结构的低Pt负载MXene碳纳米管气凝胶薄膜材料。该气凝胶薄膜材料具有超亲水性、水下超疏气性和高机械强度，能够作为自支撑一体化工业电解水制氢电极使用，解决了现有工业电解水制氢催化剂易脱落、气泡不能及时脱附的缺点，促进了。

3、电解液传输和气体脱附，在工业级电流密度下具有高催化活性和长期稳定性。权利要求书1页 说明书8页 附图6页CN 117504750 A2024.02.06CN 117504750 A1.一种低Pt负载MXene碳纳米管气凝胶薄膜的制备方法，其特征在于，包括如下步骤：S1、将LiF加入到HCl溶液中，制得复合刻蚀液；将Ti3AlC2粉末缓慢添加到复合刻蚀液中，混合搅拌得到胶体溶液，胶体溶液经去离子水洗涤后分离出固体并干燥，得到MXene纳米片，将MXene纳米片分散到去离子水中，得到MXene胶体悬浮液；S2、在MXene胶体悬浮液中缓慢加入H2PtCl6溶液，生成的悬浮液中Pt负载MXene纳米。

4、片上，记为PtMXene纳米片悬浮液；所述H2PtCl6溶液的浓度为1030 mg/mL，H2PtCl6溶液中的H2PtCl6与MXene胶体悬浮液中的MXene纳米片的质量比为(0.53):100；S3、配制碳纳米管悬浮液，在超声处理下将PtMXene纳米片悬浮液与碳纳米管悬浮液混合，得到混合悬浮液；所述碳纳米管悬浮液的浓度为1030 mg/mL，PtMXene纳米片悬浮液与碳纳米管悬浮液的混合体积比为1:7；S4、将金属板预先在液氮中冷却，然后将混合悬浮液置于金属板表面快速冷冻，再冷冻干燥制得厚度为0.41 mm的气凝胶薄膜，所述气凝胶薄膜中Pt负载的MXene纳米片与碳纳米管相互交错重叠。

5、形成竖直多孔，即为低Pt负载MXene碳纳米管气凝胶薄膜。2.根据权利要求1所述的低Pt负载MXene碳纳米管气凝胶薄膜的制备方法，其特征在于，步骤S1中所述HCl溶液的浓度为5.07.0 M，LiF在HCl溶液中的添加量为0.060.1 g/mL。3.根据权利要求1所述的低Pt负载MXene碳纳米管气凝胶薄膜的制备方法，其特征在于，步骤S1中，所述Ti3AlC2粉末在复合刻蚀液中的添加量与复合刻蚀液中LiF的质量比值为(0.51):1。4.根据权利要求1所述的低Pt负载MXene碳纳米管气凝胶薄膜的制备方法，其特征在于，步骤S1中，MXene纳米片在去离子水的分散浓度为60100 mg/mL。

6、，得到MXene胶体悬浮液。5.根据权利要求1所述的低Pt负载MXene碳纳米管气凝胶薄膜的制备方法，其特征在于，步骤S4中冷冻干燥的温度为35至75，时间为518 h。6.一种权利要求15任意一项所述的低Pt负载MXene碳纳米管气凝胶薄膜的制备方法制得的低Pt负载MXene碳纳米管气凝胶薄膜。7.一种权利要求6所述的低Pt负载MXene碳纳米管气凝胶薄膜作为自支撑一体化工业电解水制氢电极的应用。权利要求书1/1 页2CN 117504750 A2低Pt负载MXene碳纳米管气凝胶薄膜及制备方法和应用技术领域0001本发明属于析氢电极技术领域，特别是一种低Pt负载MXene碳纳米管气凝胶薄膜。

7、及制备方法和应用。背景技术0002为了解决能源危机和相关的环境污染，开发清洁能源迫在眉睫。作为最具潜力的清洁能源之一，氢气在取代日益减少的化石燃料方面显示出巨大的潜力。与传统化石燃料裂解制氢方法相比，电解水制氢具有清洁无污染、可持续和高纯度等优势。然而，析氢反应(Hydrogen evolution reaction，HER)反应动力学迟缓，在催化过程中需要克服较高的过电势。因此，迫切需要高活性的催化剂来促进HER反应的进行。Pt基催化剂因其具有优异的氢结合能，被公认为是目前性能最优的HER催化剂。然而，贵金属的高成本和稀缺性严重阻碍了其规模化的商业应用。为了解决这一瓶颈，在保持高催化活性的同。

8、时，减少催化剂中Pt的颗粒尺寸和用量可以大幅降低催化剂的成本。近年来，纳米级甚至亚纳米级的纳米团簇、单原子催化剂因其具有高质量活性，成为研究的热点。同时，Pt物种与载体之间的相互作用共同决定了催化剂的催化活性和稳定性，因此探索合适的催化剂载体对于催化性能的提升十分重要。0003现有技术中HER催化剂往往以粉末形式合成，通常需要与聚合物粘结剂混合后涂覆在导电基底（如碳布、玻璃碳等）上以制备电极。然而，这些粘结剂不仅会掩埋活性位点，阻塞传质。而且这种通过涂覆制备的电极，在高电流密度工作时催化剂容易从电极表面上脱落。目前报道的Pt负载MXene的最大工作电流密度大多低于，这远不足以应对电流密度通常超。

9、过或甚至的工业电解水制氢的应用需求。0004另一方面，HER的效率由传质和反应动力学共同决定。特别是在高电流密度下，电解液的快速供应以及气泡的及时脱附成为了反应过程中的关键因素。无法脱附的H2气泡会严重堵塞固液界面，而且气泡施加的局部应力又会进一步导致催化剂从电极表面剥落，从而使得电极的整体性能下降。在电解水制氢的实际应用中，电催化剂往往需要以相对较低的过电位驱动安培级的电流密度。因此，构筑可以应对工业级电流密度反应的低Pt自支撑电极是推动MXene基催化剂实际应用的关键一步。发明内容0005本发明旨在开发一种低Pt负载MXene碳纳米管气凝胶薄膜的制备方法，该方法制得的电极具有较大的比表面积。

10、、众多的活性位点、优异的亲水性以及高效的传质速率等优势，进而表现出较高的电催化活性以及在大电流密度下优异的长期稳定性。该制备方法具有价格低廉、工艺简单、可规模化制备等优点，有望为工业电流密度下高效电催化析氢电极的合理设计、制备及广泛应用提供了一种新的思路。0006为实现上述目的，本发明采用了以下技术方案：一种低Pt负载MXene碳纳米管气凝胶薄膜的制备方法，包括如下步骤：说明书1/8 页3CN 117504750 A3S1、将LiF加入到HCl溶液中，制得复合刻蚀液；将Ti3AlC2粉末缓慢添加到复合刻蚀液中，混合搅拌得到胶体溶液，胶体溶液经去离子水洗涤后分离出固体并干燥，得到MXene纳米片。

11、，将MXene纳米片分散到去离子水中，得到MXene胶体悬浮液；S2、在MXene胶体悬浮液中缓慢加入H2PtCl6溶液，生成的悬浮液中Pt负载MXene纳米片上，记为PtMXene纳米片悬浮液；所述H2PtCl6溶液的浓度为1030 mg/mL，H2PtCl6溶液中的H2PtCl6与MXene胶体悬浮液中的MXene纳米片的质量比为(0.53):100；S3、配制碳纳米管悬浮液，在超声处理下将PtMXene纳米片悬浮液与碳纳米管悬浮液混合，得到混合悬浮液；所述碳纳米管悬浮液的浓度为1030 mg/mL，PtMXene纳米片悬浮液与碳纳米管悬浮液的混合体积比为1:7；S4、将金属板预先在液氮中。

12、冷却，然后将混合悬浮液置于金属板表面快速冷冻，再冷冻干燥制得厚度为0.41 mm的气凝胶薄膜，所述气凝胶薄膜中Pt负载的MXene纳米片与碳纳米管相互交错重叠形成竖直多孔，即为低Pt负载MXene碳纳米管气凝胶薄膜。0007作为低Pt负载MXene碳纳米管气凝胶薄膜的制备方法进一步的改进：优选的，步骤S1中所述HCl溶液的浓度为5.07.0 M，LiF在HCl溶液中的添加量为0.060.1 g/mL。0008优选的，步骤S1中，所述Ti3AlC2粉末在复合刻蚀液中的添加量与复合刻蚀液中LiF的质量比值为(0.51):1。0009优选的，步骤S4中冷冻干燥的温度为35至75，时间为518 h。0。

13、010本发明的目的之二是提供一种上述任意一项所述的低Pt负载MXene碳纳米管气凝胶薄膜的制备方法制得的低Pt负载MXene碳纳米管气凝胶薄膜。0011本发明的目的之三是提供一种上述Pt负载MXene碳纳米管气凝胶薄膜作为自支撑一体化工业电解水制氢电极的应用。0012本发明相比现有技术的有益效果在于：（1）本发明采用选择性刻蚀MAX相中的“A”元素来制备层状的MXene纳米片，其中M表示前过渡金属，A表示主族IIIA或IVA元素，X表示C和/或N元素。在蚀刻过程中，MAX层之间的A原子被端接的官能团如氟和羟基取代，使蚀刻后的MXene表现出金属般的电子导电性、优异的亲水表面和丰富的表面官能团。。

14、同时，由于MXene中M的氧化数远小于相应氧化物的氧化数，MXene表面上的这些基团还可以作为某些金属阳离子的还原剂。0013本发明利用LiF和HCl刻蚀出超薄Ti3C2Tx纳米片，然后分散到去离子水中形成MXene胶体悬浮液，缓慢加入H2PtCl6溶液，生成的悬浮液中Pt负载MXene纳米片上，再与碳纳米管（CNTs）悬浮液混合，形成混合悬浮液；利用MXene显著的给电子能力，将PtCl62阳离子自发地还原均匀牢固地锚定在MXene纳米片表面，通过引入CNTs作为粘合剂，牢牢地连接相邻的MXene纳米片，相互交联的MXene纳米片和CNTs大大增强了电极整体的机械强度，有利于缓解气泡局部应力。

15、对电极的损伤。同时，一维CNTs和二维MXene纳米片的组合为三维一体化电极提供了高速的电子传输网络。随后将混合悬浮液在液氮中预先冷却处理的金属板表面快速冷冻，在垂直温差的驱动下，MXene及CNTs被不断生长的冰晶压缩，形成具有垂直排列的孔状结构，冷冻干燥后获得具有低Pt负载（0.48%左右可调）的MXene纳米片与碳纳米管相互交错重叠的气凝胶薄膜（记为PtMCAF），该气凝胶薄膜可以作为HER的高性能自支撑说明书2/8 页4CN 117504750 A4电极（记为PtMCAF电极）。0014（2）本发明所制备的PtMCAF电极具有高度暴露的固液气界面，组装的三维互连纳米结构为催化反应提供了。

16、丰富的活性位点。受益于这种独特的结构，自支撑PtMCAF电极表现出良好的超亲水性和水下超疏气性，同时竖直有序排列的孔道结构显著促进了气体产物的脱附和电解液的扩散速率。本发明可以通过调控H2PtCl6的添加量对最终电极的Pt含量进行调节，通过调整快速冷冻的混合悬浮液的体积，对一体化电极的厚度进行调控。0015（3）本发明制得的三维互连纳米结构的PtMCAF电极具有优异的HER性能，质量活性远优于商业的贵金属Pt/C，为后续催化剂电极的制备开辟了新的方法。基于上述优势，PtMCAF电极呈现出较高的析氢性能。在0.5 M H2SO4电解液中，仅需249 mV过电势即可驱动的电流密度，并具有较小的Ta。

17、fel斜率和优异的长期稳定性。简便的电极制备过程避免了额外还原剂的使用和复杂的后续处理，为规模化制备大电流电解水析氢电极奠定了基础。本发明方法及其相应的设计策略具有低成本、工艺简单、可进行规模化制备等优点，并有望扩展到超级电容器、锌空气电池、燃料电池等其他电化学应用领域。附图说明0016图1为本发明制备PtMCAF的流程示意图。0017图2为实施例1的PtMCAF的电镜图；其中(a)、(b)分别为电极的俯视SEM图和截面SEM图，(c)、(d)、(e)、(f)分别为电极的TEM图像、HRTEM图像、原子分辨率的HAADFSTEM图像以及EDS图谱。0018图3中(a)、(b)分别为实施例2的P。

18、tMCRF电极的俯视SEM图和截面SEM图，图(c)、(d)分别为实施例3的PtMCFilm电极的俯视SEM图和截面SEM图。0019图4中(a)为实施例13分别制备的PtMCAF电极、PtMCRF电极和PtMCFilm电极的XRD图；图4中(b)为实施例2的PtMCRF电极的水平和垂直方向的X射线散射示意图；图4中(c)是实施例1的PtMCAF电极、实施例4的PtMAF电极和实施例5的MAF电极的放大XRD图案；图4中(d)为实施例1的PtMCAF电极的Pt 4f XPS光谱；图4中(e)为实施例1的PtMCAF电极和实施例6的MCAF电极的Ti 2p XPS光谱。0020图5中(a)为实施。

19、例6的MCAF电极、实施例3的PtMCFilm电极、实施例7的PtMCPowder电极、实施例2的PtMCRF电极、实施例1的PtMCAF电极以及商业Pt/C粉末催化剂的HER伏安(LSV)曲线；图5中(b)是实施例1的PtMCAF电极和商业Pt/C粉末催化剂的质量活性；图5中(c)是实施例7的PtMCPowder电极、实施例3的PtMCFilm电极、实施例2的PtMCRF电极、实施例1的PtMCAF电极以及商业Pt/C粉末催化剂的极化曲线对应的Tafel图；图5中(d)为实施例1的PtMCAF电极、实施例2的PtMCRF电极和实施例3的PtMCFilm电极在不同扫描速率下获得的双电层电容。0。

20、021图6中(a)、(b)分别为水滴在实施例3的PtMCFilm电极和实施例1的PtMCAF电极表面的接触角；图6中(c)是实施例1的PtMCAF电极在水下的气泡接触角；图6中(d)是实施例1的PtMCAF电极在不同电流下的稳定性测试。具体实施方式0022为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合实施例，对本发明说明书3/8 页5CN 117504750 A5进行进一步详细说明，基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。0023实施例1本实施例提供一种低Pt负载MXene碳纳米管气凝胶薄膜（PtMCAF）的制。

21、备方法，制备流程示意图如图1所示，具体包括如下步骤：1）将3.2g的 LiF加入到40毫升、浓度6.0 M的HCl溶液中，制得复合刻蚀液；将2g的 Ti3AlC2粉末缓慢添加到复合刻蚀液中，Ti3AlC2粉末与LiF的质量比为0.625:1，混合搅拌得到胶体溶液，胶体溶液经去离子水洗涤后分离出固体并干燥，得到MXene纳米片，将MXene纳米片分散到去离子水中，得到浓度为80 mg/mL的MXene胶体悬浮液；2）取1 mL的MXene胶体悬浮液，缓慢加入60l、浓度20 mg/mL的H2PtCl6溶液，生成的悬浮液中Pt负载MXene纳米片上，H2PtCl6溶液中的H2PtCl6与MXene。

22、胶体悬浮液中的MXene纳米片的质量比为1.5:100，记为PtMXene纳米片悬浮液；3）配制20 mg/mL碳纳米管悬浮液，在超声处理下将PtMXene纳米片悬浮液与碳纳米管悬浮液按照1:7体积比混合，得到混合悬浮液；4）将铜板预先在液氮中冷却，取适量PtMXene纳米片悬浮液置于铜板表面快速冷冻，然后置于55冷冻干燥7h，制得竖直多孔、低Pt负载MXene碳纳米管气凝胶薄膜（记为PtMCAF），厚度为0.8 mm，经过电感耦合等离子体发射光谱测试，该薄膜中Pt负载量占薄膜总质量的0.48%。0024所述PtMCAF作为HER电极时记为PtMCAF电极。0025实施例2本实施例提供一种Pt。

23、MXeneCNTs随机多孔气凝胶薄膜（PtMCRF）的制备方法，具体步骤参照实施例1，不同之处在于，步骤4）的具体操作如下：取适量混合悬浮液置于30 冰箱中常规冷冻2h时间，然后置于55冷冻干燥7h，获得PtMXeneCNTs随机多孔气凝胶薄膜（记为PtMCRF），厚度为0.8 mm，经过电感耦合等离子体发射光谱测试，该薄膜中Pt负载量占薄膜总质量的0.48%。0026所述PtMCRF作为HER电极时记为PtMCRF电极。0027实施例3本实施例提供一种PtMXeneCNTs薄膜（PtMCFilm）的制备方法，具体步骤参照实施例1，不同之处在于，步骤4）的具体操作如下：取适量混合悬浮液，通过抽。

24、滤成膜的方式获得PtMXeneCNTs薄膜，厚度为0.8 mm，经过电感耦合等离子体发射光谱测试，该薄膜中Pt负载量占薄膜总质量的0.48%。0028所述PtMXeneCNTs薄膜作为HER电极时记为PtMCFilm电极。0029实施例4本实施例提供一种PtMXene竖直多孔气凝胶薄膜（PtMAF）的制备方法，参照实施例1的步骤1）和2）制得PtMXene纳米片悬浮液，将铜板预先在液氮中冷却，取适量PtMXene纳米片悬浮液置于铜板表面快速冷冻，然后置于55冷冻干燥7h，获得PtMXene竖直多孔气凝胶薄膜（记为PtMAF），厚度为0.8 mm。0030所述PtMAF作为HER电极时记为PtM。

25、AF电极。说明书4/8 页6CN 117504750 A60031实施例5本实施例提供一种MXene竖直多孔气凝胶薄膜（MAF）的制备方法，参照实施例1的步骤1）制得MXene胶体悬浮液，将铜板预先在液氮中冷却，取适量MXene胶体悬浮液置于铜板表面快速冷冻，然后置于55冷冻干燥7h，获得MXene竖直多孔气凝胶薄膜（记为MAF），厚度为0.8 mm。0032所述MAF作为HER电极时记为MAF电极。0033实施例6本实施例提供一种MXeneCNTs竖直多孔气凝胶薄膜（MCAF）的制备方法，具体步骤参照实施例1，不同之处在于：不进行步骤2）的操作，直接将步骤1）的MXene胶体悬浮液直接与碳纳。

26、米管悬浮液混合，得到混合悬浮液，再进行快速冷冻和冷冻干燥，得到MXeneCNTs竖直多孔气凝胶薄膜（记为MCAF），厚度为0.8 mm。0034所述MCAF作为HER电极时记为MCAF电极。0035实施例7本实施例提供一种PtMXeneCNTs粉末薄膜（PtMCPowder）的制备方法，具体步骤参照实施例1，制得PtMCAF，还包括如下步骤：在超声条件中，取30 mg的PtMCAF与50 L Nafion溶液、1.0 mL乙醇以及0.45 mL去离子水混合溶解，得到混合浆料，将混合浆料滴涂于玻碳表面后干燥成膜，制得PtMXeneCNTs粉末薄膜（记为PtMCPowder），厚度为0.8 mm，。

27、经过电感耦合等离子体发射光谱测试，该薄膜中Pt负载量占薄膜总质量的0.48%。0036所述PtMCPowder作为HER电极时记为PtMCPowder电极。0037性能测试（1）电极的形貌及结构表征利用透射电子显微镜(TEM)、X射线衍射光谱（XRD）、X射线光电子能谱（XPS）、场发射扫描电子显微镜(FESEM)、X射线能量分散谱（EDS）等技术对实施例1制得的PtMCAF电极进行表征，结果如图2所示，其中(a)、(b)分别为电极的俯视SEM图和截面SEM图，图(c)、(d)、(e)、(f)分别为电极的TEM图像、HRTEM图像、原子分辨率的HAADFSTEM图像以及EDS图谱。俯视的SEM。

28、图像（图2(a)）表明，PtMCAF电极由许多相互连接和高度定向的多孔结构组成。如图2(b)中的SEM截面图所示，PtMCAF电极表现出大面积均匀的长程垂直排列。同时，图2(b)内插图表明竖直孔道平均宽度约为20 m，这有助于反应过程中气泡的释放。随后利用TEM对PtMCAF电极进行了进一步的表征。如图2(c)所示，超小尺寸的Pt团簇（小于2 nm）负载在MXene纳米片表面。同时，1D CNTs和2D PtMXene紧密地交联在一起，如植物爬山虎一样，CNTs牢牢抓住和连接相邻纳米片以形成连续结构。HRTEM图像（图2(d)）显示，0.265 nm的晶格间距与Ti3C2Tx的(100)平面相。

29、对应，而0.225 nm的晶格间距对应于Pt的(012)平面。原子分辨率球差校正扫描透射电镜图片（图2(e)）表明，除了大小约为2 nm的Pt团簇，在MXene基体上还观察到大量单分散的Pt单原子位点。此外，EDS图谱（图2(f)）还表明，Pt物种均匀分散在MXene纳米片表面。上述结果表明，MXene纳米片具有强大的给电子能力，可以在无还原剂常温条件下自发将PtCl62离子原位还原为Pt团簇和单原子并固定在MXene纳米片表面。0038为了进行比较，通过对具有相同Pt负载量的同种混合悬浮液分别进行冰箱中的常说明书5/8 页7CN 117504750 A7规冷冻（实施例2）和真空辅助过滤（实施。

30、例3），制备了PtMCRF电极以及PtMCFilm电极。PtMCRF电极的俯视和截面SEM电镜图如图3(a)、(b)所示，图像显示了通过非定向冷冻制备的PtMCRF电极具有随机分布且大量聚集的孔状结构，孔道尺寸不均匀，且孔道不连续将阻塞活性位点，不利于HER过程中气泡的排除。PtMCFilm电极的俯视和截面SEM电镜图如图3(c)、(d)所示，图像显示了PtMCFilm中碳纳米管与Pt负载的MXene纳米片紧密地堆积成薄膜结构。0039随后，利用XRD对实施例13制备的样品的结构和化学成分进行了进一步的研究。如图4(a)所示，实施例13分别制得的PtMCAF电极、PtMCRF电极和PtMCFi。

31、lm电极的XRD图案，2=25.8 处的衍射峰对应于CNTs中的(002)石墨平面。在PtMCFilm电极和PtMCRF电极中，只显示了MXene一个强度较高的(002)面衍射峰，而在PtMCAF电极中还检测到了归属于(110)和(010)面族的两个主要衍射峰，这进一步证明了所构筑的PtMCAF电极中的MXene具有高度一致的竖直取向性。0040如图4(b)所示，为实施例2的PtMCRF电极的水平和垂直方向的X射线散射示意图；(hk0)反射面的出现表明在定向冷冻过程中MXene纳米片形成了垂直于平面取向的竖直结构。由于没有冰晶垂直生长，实施例2在冰箱中常规冷冻下制备的PtMCRF的(hk0)衍。

32、射峰强度非常弱，这进一步证明了定向冷冻在构筑竖直多孔结构中发挥了重要作用。同时，所有的样品中均没有观察到金属Pt衍射峰，进一步说明了利用MXene自发还原制备的Pt物种尺寸较小。0041此外，图4(c)为实施例1制得的PtMCAF电极、实施例4制得的PtMAF电极和实施例5制得的MAF电极的局部放大的XRD图。图4(c)表明，在分别添加H2PtCl6和CNTs后，MXene的(002)衍射峰逐渐向左偏移，说明CNTs的加入以及Pt团簇/单原子的生长会使得MXene纳米片间的层间距逐渐增加，这有助于PtMCAF电极在HER反应过程中暴露更多的活性位点。利用X射线光电子能谱(XPS)进一步表征了P。

33、tMCAF电极的表面化学状态。0042图4(d)所示，为实施例1的PtMCAF电极的Pt 4f XPS光谱，可以通过拟合分为在70.72/74.3和71.89/75.6 eV处的两组双峰，分别对应于0价金属Pt和Pt2+物种。部分带正电荷Pt物种的存在意味着Pt和MXene之间存在着相互作用，这有助于提高HER过程中的催化剂活性。通过比较Ti 2p光谱的XPS结果，清楚地证实了MXene与PtCl62离子发生氧化还原反应前后表面价态的转换。0043图4中(e)为实施例1的PtMCAF电极和实施例6的MCAF电极的Ti 2p XPS光谱。在Ti 2p（图4(e)）中，观察到四个2p1/2和2p3。

34、/2双峰，分别对应于TiC、CTi2+(O/OH)、CTi3+(O/OH)和。与实施例6的MCAF电极相比，实施例1的PtMCAF电极的CTi3+(O/OH)峰强度明显增加，这进一步表明在自发反应期间，高还原性的Ti物种将PtCl62还原为Pt和Pt2+。0044（2）析氢性能测试与分析，接触角（CA）测试、EIS、ECSA（或CV）测试：在0.5 M的H2SO4中，采用标准三电极测试系统进行电化学测试。使用Ag/AgCl电极为参比电极，石墨棒作为对电极，并通过Nernst方程将所有测量的电位修正为可逆氢电极(RHE)电位。对实施例6制得的MCAF电极、实施例3制得的PtMCFilm电极、实施。

35、例7制得的PtMCPowder电极、实施例2制得的PtMCRF电极、实施例1制得的PtMCAF电极以及麦克林试剂平台购买的商业Pt/C粉末催化剂（20%wt，CAS：7440064）的HER活性进行了探究。说明书6/8 页8CN 117504750 A8同时，在2 mV s1的速率下进行线性扫描伏安法(LSV)的测量，线性扫描伏安(LSV)曲线如（图5(a)）所示。0045由图5(a)可知，与Pt负载的电极相比，实施例6未修饰Pt的MCAF电极的HER性能可忽略不计，说明锚定在MXene上的Pt物种在HER过程中发挥着关键作用。相同Pt负载量的MXeneCNTs悬浮液制备的4种不同结构的电极中。

36、，PtMCFilm电极和PtMCPowder电极由于比表面积低而表现出相对较差的催化活性；相比而言，有序竖直多孔PtMCAF电极与随机多孔PtMCRF表现出较高的催化活性。值得注意的是，PtMCAF电极与PtMCRF电极在低电流密度下显示出类似的极化曲线，但在高电流密度下，有序竖直多孔PtMCAF电极表现出更为优异的HER性能，这进一步显示出三维有序竖直孔道的关键作用。研究表明，在高电流密度条件下，电解液的扩散和气体脱附对于电极的HER反应速率起到至关重要的作用。PtMCAF电极具有众多有序竖直排练的孔道结构，有利于传质传输和气体脱附。特别是，本发明制备的PtMCAF电极的催化性能接近甚至优于。

37、商业Pt/C粉末催化剂。具体来说，在低电流密度下，PtMCAF电极与商业Pt/C粉末催化剂活性类似。在高电流密度下，PtMCAF电极的催化活性远优于商业Pt/C粉末催化剂。例如，在100和500 mA cm2的电流密度下，PtMCAF电极需要的过电位仅为107和208 mV，而商业Pt/C粉末催化剂的过电势分别为115和325 mV。0046为了客观地比较催化活性，通过将PtMCAF电极和Pt/C粉末催化剂的电流密度与Pt的负载量归一化，研究了催化剂的质量活性。如图5(b)所示，PtMCAF电极的质量活性远远高于商业Pt/C粉末催化剂。具体来说，PtMCAF电极在100 mV的过电位下表现出5。

38、.59A mg1Pt的质量活性，这大约是商业Pt/C粉末催化剂的8倍。0047为了进一步探究催化剂的HER动力学，图5中(c)是实施例7的PtMCPowder电极、实施例3的PtMCFilm电极、实施例2的PtMCRF电极、实施例1的PtMCAF电极以及商业Pt/C粉末催化剂的极化曲线对应的Tafel斜率。商业Pt/C粉末催化剂在低电流密度区域表现出较低的Tafel斜率。然而在大电流密度下，实施例1的PtMCAF电极表现出最小的Tafel斜率（97 mV dec1），这表明它具有快速的电催化速率和优异的HER反应动力学。0048此外，由双电层电容（Cdl）评估的电化学活性表面积（ECSA）也被。

39、认为是HER性能的一个关键因素。如图5(d)所示，为实施例1的PtMCAF电极、实施例2的PtMCRF电极和实施例3的PtMCFilm电极在不同扫描速率下获得的双电层电容。实施例1的PtMCAF电极表现出的Cdl为173.7 mF cm2，明显高于实施例3的PtMCFilm电极（25 mF cm2）和实施例2的PtMCRF电极（100.6 mF cm2），表明有序竖直多孔PtMCAF电极暴露了更多的活性位点。较高的ECSA进一步证明了定向多孔和3D互连的纳米结构的重要作用，它大大提高了活性位点的可及性，从而提高了多孔结构的表面利用效率。0049此外，电极表面的亲水性直接影响气泡的释放和电解质的。

40、界面反应，在HER过程中起着重要作用。图6中(a)、(b)分别为水滴在实施例3的PtMCFilm电极和实施例1的PtMCAF电极表面的接触角；水滴接触角（CA）测试（图6(a)）表明，PtMCFilm电极表面的接触角为38.26，表现出一定的疏水性。作为比较，水滴一旦接触到PtMCAF电极表面就立即分散，静态接触角CA0（图6(b)），说明PtMCAF电极表现出超亲水特性。超亲水的表面和由定向孔引起的毛细管力可以引导电解液渗透到PtMCAF电极的深处，形成一个高度暴露的固液界面。说明书7/8 页9CN 117504750 A90050图6中(c)是实施例1的PtMCAF电极自支撑电极在水下的气。

41、泡接触角；如图6(c)所示，在水下环境下，PtMCAF电极的表面观察到高的气泡接触角（155.8），表明气泡可以很容易地分离。因此，PtMCAF电极表面的竖直多孔结构可以通过促进气体运输和电解质的界面反应来进一步提高传质效率。0051图6中(d)是实施例1的PtMCAF电极在不同电流下的稳定性测试。如图6(d)所示，在恒定电流密度为10和500 mA cm2的情况下，通过恒定电流测试对样品的稳定性进行了评估。在连续测试24小时后，PtMCAF电极仅表现出轻微的增加，表明其在高电流密度下仍具有良好的长期耐久性。这可以归功于CNTs的加入，显著提高了集成电极整体的机械强度。同时，定向多孔和三维互连。

42、的纳米结构以及表面的超亲水和水下疏气特性，显著减少了反应过程中积累的气泡对电极结构的破坏。这些独特的优势进一步表明，具有高比表面积，超亲水，高活性的PtMCAF电极有望替代商业贵金属催化剂用于工业化大电流电解水绿色制氢。0052本领域的技术人员应理解，以上所述仅为本发明的若干个具体实施方式，而不是全部实施例。应当指出，对于本领域的普通技术人员来说，还可以做出许多变形和改进，所有未超出权利要求所述的变形或改进均应视为本发明的保护范围。说明书8/8 页10CN 117504750 A10图 1说明书附图1/6 页11CN 117504750 A11图 2说明书附图2/6 页12CN 117504750 A12图 3说明书附图3/6 页13CN 117504750 A13图 4说明书附图4/6 页14CN 117504750 A14图 5说明书附图5/6 页15CN 117504750 A15图 6说明书附图6/6 页16CN 117504750 A16。