清華-伯克利深圳學院（TBSI）劉碧錄ACS Nano：二維二硫化鉬層間限域堿性電解水產氫催化劑

引言：

當前，人類對化石能源的過度使用導致環境和能源問題日益突出，利用電化學催化方法分解水產氫是可再生能源轉化的一種有效方法，同時也是有望解決當前能源危機的最安全有效的技術。然而，電解水產氫最大的問題是能耗高。為降低驅動電解水反應所需的電能，使用電催化劑是最有效的手段。鉑基催化劑是目前公認最有效的產氫催化劑，但是貴金屬鉑儲量小、價格昂貴，這限制了它的工業大規模使用。因此，開發廉價高效的產氫催化劑意義重大。例如，過渡金屬硫化物是一種儲量較大的天然層狀材料。研究表明，將二硫化鉬的厚度減薄可暴露更多具有析氫活性的二硫化鉬邊緣位點，從而極大地提高了二硫化鉬的催化活性；但對于更有工業化應用前景的堿性電解液析氫反應，二硫化鉬很難將水解離成氫，這限制了其在堿性電解液析氫中的應用。

成果簡介：

近日，來自清華-伯克利深圳學院（TBSI）的劉碧錄老師課題組在ACS Nano上發表了題為Two-Dimensional MoS₂ Confined Co(OH)₂ Electrocatalysts for Hydrogen Evolution in Alkaline Electrolytes的文章，介紹了他們在廉價堿性電解水產氫催化劑上取得的新進展。他們設計了一種將氫氧化鈷納米顆粒限域在二維二硫化鉬層間的電催化劑，該催化劑由兩步法制備而得，且該方法具有普適性。實驗表明，該催化劑可以顯著降低堿性電解水產氫所需要的過電勢（起始過電勢為15 mV）并展現出良好的穩定性（使用20小時性能無明顯衰退）。密度泛函理論計算表明：限域在層間的氫氧化鈷和二硫化鉬二維材料共同賦予了催化劑好的催化活性和穩定性。該工作提供了一種新的設計堿性電解水析氫催化劑的策略。

圖文導讀：

圖1. 普適性的兩步法制備二維二硫化鉬層間限域的氫氧化鈷催化劑

圖2. 含鈷化合物插入二硫化鉬層間使其層間距不均勻

圖3. 插層的鈷化合物主要由氫氧化鈷組成

圖4. 優異的堿性電解水析氫催化活性和穩定性

圖5. 密度泛函理論計算表明氫氧化鈷和二硫化鉬共同加速了堿性電解水產氫反應動力學

小結：

這個工作提供了一種設計高效電催化劑的策略。原理上，這一策略可以擴展到其它二維材料（如：石墨烯、MXenes和過渡金屬硫族化合物）和其它插層材料（如：氫氧化鎳），以制備適用于其他電催化反應體系的高效催化劑及能源相關的應用。

原文鏈接：Two-Dimensional MoS₂ Confined Co(OH)₂ Electrocatalysts for Hydrogen Evolution in Alkaline Electrolytes (ACS Nano, 2018, DOI: 10.1021/acsnano.8b00942)

本文由清華-伯克利深圳學院劉碧錄老師課題組投稿。

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