현재 합성된 MXene은 주로 MAX 상 전구체로부터 유래되며, 텅스텐 기반 MXene의 제어된 합성은 계산에 의해 예측되는 불안정성으로 인해 매우 어렵습니다. 따라서 효율적인 HER 촉매를 제조하기 위한 적절한 합성 전략을 찾는 것은 여전히 많은 어려움에 직면해 있습니다.
2025년 3월 28일, Nature Synthesis 저널은 연구진이 이론적 계산을 사용하여 공유 결합된 텅스텐 층의 정밀한 에칭을 유도하고 원자적으로 정렬된 W2TiC2Tx MXene을 얻고 층간 박리 문제를 해결했다고 보고했습니다.

본 연구에서 연구진은 DFT 계산을 통해 (W, Ti) 4C4 ₋ y에서 텅스텐 층의 식각 가능성을 예측하고, 과도한 알루미늄 도핑(2Al 전구체)이 산소 불순물을 감소시키고 선택적 식각을 촉진할 수 있음을 확인했습니다. 연구진은 MAX가 아닌 층상 탄화물 (W, Ti) 4C4-y 전구체로부터 HCl-LiF를 사용하여 공유 결합된 텅스텐 층을 선택적으로 식각하여 정렬된 이중 전이 금속 MXene(W2TiC2Tx)을 합성했습니다.
연구에 따르면, 박리된 W2TiC2Tx MXene은 10mA cm-2의 전류 밀도에서 과전압이 144mV에 불과하여 기존의 W1.33CtX MXene보다 훨씬 우수한 HER 성능을 보입니다. DFT 분석 결과, 텅스텐-티타늄 혼합 표면의 W-Ti3 배위 부위의 수소 흡착 자유 에너지(Δ Gad = -0.37eV)는 열적 중성에 가깝고 순수 텅스텐 표면(Δ Gad = -1.79eV)보다 우수함을 보여줍니다.
또한, 이 소재는 실온에서 427 Scm-1의 높은 전도도를 가지며, 이는 가변 범위 호핑 모델(VRH)에 부합하여 층간 전자 전달이 지배적임을 시사합니다. 800nm 펨토초 레이저에서 이 소재는 반포화 흡수 거동을 나타내며, 높은 전도도와 안정성 덕분에 광전자 및 레이저 응용 분야에서 잠재적으로 가치가 높습니다.
이 연구는 MXene의 전통적인 합성 패러다임을 깨고 효율적인 HER 촉매와 새로운 2D 소재를 구성하기 위한 새로운 아이디어를 제공합니다.

문헌명: 전기촉매를 위한 2D 텅스텐 MXene의 합성.

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