清華大學張強教授Adv. Mater.：三維介孔范德華異質結用于電催化

smilezengsha 6年前 (2017-12-16) 4777瀏覽

【引言】

二維材料范德華異質結的出現為基礎科學和技術應用開辟了新視野。這種基于層間范德華力作用的雜化結構可以有效地實現組分性能互補、層間電荷轉移、界面電阻降低，從而大幅提高二維材料的性能和應用，特別是在能源電催化領域。目前，范德華異質結主要通過液相的層層自組裝或在平整基底上氣相化學沉積獲得，難以針對特定的應用需求對材料的物理化學性質進行調控。因此，迫切需要發展材料設計的理念和高效合成的手段，以實現先進范德華異質結的可控構建，從而全面優化其本征催化活性和外在理化特征，提高電催化應用性能。

【成果簡介】

近日，清華大學張強教授團隊和中科院金屬所張炳森教授合作，在Adv. Mater.上發表最新研究成果 “3D Mesoporous van der Waals Heterostructures for Trifunctional Energy Electrocatalysis”。在該文中，研究者通過兩步的化學氣相沉積法（CVD）制備了三維介孔的石墨烯/氮摻雜硫化鉬范德華異質結（G@N-MoS2）。研究以介孔氧化鎂為模板，首先以甲烷為碳源CVD一層介孔石墨烯骨架，繼而引入Mo/S/N源在石墨烯骨架上原位生長氮摻雜硫化鉬納米片，形成層間范德華異質結，同時復型了氧化鎂的三維介孔結構。這一材料設計和合成思路，不僅可以有效地對各組分進行物理結構和電子結構的調控（三維介孔/摻雜），而且能夠構筑界面強耦合的雜化材料（范德華異質結）。由于其特殊的結構和電子調控，G@N-MoS2表現出高效的三功能電催化性能， N-MoS2側的氫析出（HER）活性顯著提升，而石墨烯側的氧還原（ORR）和氧析出（OER）活性也大幅增強。該材料的設計理念與合成方法學為二維材料和能源電催化的研究提供了新的思路和啟發。該研究工作的作者依次為唐城、鐘玲、張炳森、王浩帆和張強（通訊作者）。

【圖文導讀】

圖1 三維介孔G@N-MoS2范德華異質結的制備流程示意圖

（a）兩步CVD法生成G@N-MoS2，首先以多孔氧化鎂為模板高溫生長介孔石墨烯，然后低溫原位沉積N-MoS2；

（b）含有氮摻雜和拓撲彎曲的G@N-MoS2范德華異質結示意圖。

圖2 三維介孔G@N-MoS2范德華異質結的形貌與結構表征

（a）SEM圖；

（b）HAADF-STEM圖；

（c-g）HRTEM圖，其中圖e與f證實了石墨烯與N-MoS2三維范德華異質結的存在，圖g顯示了N-MoS2的邊緣與缺陷；

（h）元素mapping。

圖3 三維介孔G@N-MoS2范德華異質結的化學組分分析

（a）XRD圖譜；

（b）Raman譜圖；

（c）Mo 3p3/2與N 1s的XPS圖。

圖4 三維介孔G@N-MoS2范德華異質結的HER性能表征

（a）不同催化劑HER極化曲線；

（b）HER Tafel曲線；

（c）CV循環1000次前后G@N-MoS2極化曲線；

（d）200 mV過電位下的EIS Nyquist曲線；

（e）不同樣品的雙電層電容Cdl；

（f）HER催化活性（Tafel斜率、10mA cm-2過電位）與材料屬性（雙電層電容、電荷傳輸電阻）的關系。

圖5 三維介孔G@N-MoS2范德華異質結的三功能電催化性能

（a）N2飽和0.10 M KOH中HER極化曲線；

（b）O2飽和0.10 M KOH中ORR極化曲線；

（c）O2飽和0.10 M KOH中OER極化曲線;

（d）G@N-MoS2異質結層間電子轉移效應對ORR/OER/HER催化活性的影響。

【小結】

研究者利用兩步化學氣相沉積法構筑了三維介孔石墨烯與氮摻雜硫化鉬范德華異質結，其中超薄N-MoS2納米片沿著預先沉積的石墨烯骨架局部彎曲并緊密結合，形成層間范德華異質結和三維介孔骨架。這一巧妙的結構設計可以對二維材料的形貌、邊緣、缺陷、界面、電子結構等實現多尺度的調控優化，從而提升其催化性能。基于這一結構設計理念和材料合成思路，進一步優化組成、調控結構，可實現其催化活性最優化。該研究工作為發展先進納米材料提供了新的思路，同時也將推動二維材料的設計優化，有望在能源電催化等諸多領域產生重要的影響。

文獻鏈接：3D Mesoporous van der Waals Heterostructures for Trifunctional Energy Electrocatalysis，(Adv. Mater., 2017, DOI: 10.1002/adma.201705110)

本文由材料人新能源小組 曾沙 供稿。

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