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用於高性能析氫反應的三維分層MoS2/石墨烯結構

5月
13
2019

2019年5月13日16時 石墨烯聯盟

石墨烯聯盟

引言

析氫反應(HER)涉及質子和電子轉移到活性位點,然後氫的電子耦合吸附/解吸,因此催化性能強烈依賴於質量傳遞、電子傳導和催化劑的內在活性。二硫化鉬(MoS2)作為一種典型的2D過渡金屬二硫化物,由於其在邊緣位點具有高內在活性,被廣泛認為是一種有前途的非貴金屬催化劑。然而,MoS2作為電催化劑具有低電子傳導性的缺點。此外,活性位點被認為是邊緣S原子,但它們的數量是有限的,因為基底平面中的大多數S原子對HER保持無活性。此外,由於納米片之間普遍存在范德瓦爾斯引力,材料的團聚往往掩蓋了邊緣位點,降低了催化活性。改變2D

MoS2的形貌和局部原子組成是改善電催化劑的HER性能的有效方法。與隨機取向的MoS2納米片相比,具有豐富通道和高比表面積的中孔MoS2泡沫顯著提高了HER活性,這得益於促進了質量傳遞和增加了邊緣位點的暴露。雜原子摻雜到二硫化鉬晶格中可以調節局域電子結構,並在基平面上誘導反應活性。然而,由於MoS2的低電導率和工程結構的低穩定性,從形貌處理和雜原子摻雜兩方面提高其性能仍然受到限制。

成果簡介

近日,在中科院大連化物所、中國科學院大學包信和院士和中科院大連化物所、廈門大學鄧德會教授團隊(共同通訊作者)帶領下,與湖南大學和中國科學院上海應用物理研究所合作,報導了一種由MoS2和石墨烯(3D-MoS2/G)組成的3D分層介孔混合結構作為高效HER催化劑。MoS2層與高導電性石墨烯骨架均勻連接,良好地分散在通道內,暴露出豐富的邊緣位點,極大地改善了HER活性。將Co原子摻雜到MoS2晶格中進一步改善了混合結構(3D-Co-MoS2/G)的活性,其在0.5

M H2SO4溶液中在10 mAcm-2的電流密度時僅只有143

mV的低過電位。與3D-Co-MoS2催化劑相比,3D-Co-MoS2/G表現出顯著的穩定性,並且保持了超過5000次循環伏安(CV)掃描的活性。這項工作為提高催化劑的活性和穩定性提供了一種很有前途的策略。相關成果以題為「Three-dimensionally hierarchical MoS2/graphene architecture for

high-performance hydrogen evolution reaction」發表在了Nano Energy上。

圖文導讀

圖1 三維分層MoS2/G和Co-MoS2/G的形貌和原子結構

(a-c)3D-MoS2/G樣品的(a)TEM圖,(b)有EDS元素分布的HAADF-STEM圖和(c)原子解析度HAADF-STEM圖。

(d-i)3D-Co-MoS2/G樣品的(d)SEM圖,(e)HAADF-STEM圖像,(f)EDS元素分布圖,(g)TEM圖,(h)HRTEM圖和(i)原子解析度HAADF-STEM圖。(c)和(i)中的插圖顯示了MoS2中Mo空位和摻雜Co原子的示意圖,以及相應的TEM模擬和線性強度分布。黃色、青色和藍色球體分別代表硫、鉬和鈷。

圖2 三維Co-MoS2/G的電子和配位結構

(a,c)分別為一系列樣品的Mo和Co K邊的歸一化XANES光譜。插圖顯示歸一化後k空間轉換的EXAFS光譜。

(b,d)分別為Mo和Co K邊的k3加權EXAFS光譜。

(e)3D-Co(16.4%)MoS 2/G催化劑的Co 2p XPS光譜。

圖3 三維Co-MoS2/石墨烯的HER性能

(a)在25℃下Ar飽和的0.5M H2SO4中,以2mVs-1的掃描速率得到2D MoS2,3D

MoS2,3D-Co-MoS2,3D-MoS2/G,3D-Co-MoS2/G和商業40%Pt/C樣品的HER極化曲線。所有HER極化曲線沒IR校正。

(b)比較2D MoS2,3D MoS2,3D-Co-MoS2,3D-MoS2/G和3D-Co(16.4%)-MoS2/G在不同電流密度下的過電位。

(c)由3D MoS2,3D-MoS2/G,3D-Co(16.4%)-MoS2/G和商業40%Pt/C催化的HER相應Tafel圖。

(d)3D-Co(16.4%)-MoS2/G催化劑與無石墨烯催化劑的耐久性測量。

小結

綜上所述,通過結構工程,形成了由MoS2和石墨烯組成的有序三維介孔複合結構,顯著提高了MoS2的電化學析氫活性和穩定性。該結構的分層和均勻的介孔結構促進了水和質子的質量傳輸。石墨烯的引入不僅提高了MoS2的電子導電性,而且有利於MoS2的分散和更多邊緣活性位點的暴露。將Co原子摻雜到MoS2骨架中,可以進一步提高3D-MoS2/G的HER活性。3D-Co(16.4%)MoS2/G具有143

mV的過電位,可實現10 mAcm-2的電流密度,並保持了超過5000次CV掃描的穩定性。本研究通過多尺度結構工程為HER設計穩健的MoS2電催化劑提供了有效的策略,也可為其他能源催化過程提供有益的參考。

來源:材料牛


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