上海交大鄔劍波&朱虹Adv. Mater. : MoS2/Fe5Ni4S8異質耦合界面的構筑及其高效電催化分解水

【引言】

電化學析氫反應(HER)和產氧反應(OER)是分解水的兩個關鍵過程。對于析氫反應來說，二硫化鉬(MoS₂)是其中一種非常有前景的材料，這一點已經通過實驗結果和理論計算得到證明。2D材料具有巨大的優勢，包括高比表面積和特殊的面內電子轉移模式。特別地，2D MoS₂ NSs邊緣處的硫原子的氫吸附能量接近零，表明其潛在活性應與Pt相當。同時，對于產氧反應，根據最近的研究，鐵/鎳基化合物表現出優異的OER性能。鐵鎳合金(FeNi)泡沫具有豐富的活性位點，大的比表面積和高導電性，是高效催化OER的備選材料。為了促進兩種分解水反應，最近的研究集中在各種方法上，包括整合高效HER材料和高效OER材料的優勢、增加導電性、提高表面積等。因此，建立具有高效HER/OER催化劑耦合界面的新穎異質結構有望進一步促進分解水反應。

【成果簡介】

近日，上海交通大學鄔劍波研究員、朱虹研究員(共同通訊作者)等制備FeNi襯底上垂直生長MoS₂ NS的同時獲得了在MoS₂界面處原位生長Fe₅Ni₄S₈(FNS)，并在Adv. Mater.上發表了題為“Coupling Interface Constructions of MoS₂/Fe₅Ni₄S₈ Heterostructures for Efficient Electrochemical Water Splitting”的研究論文。對于析氫反應，所得的MoS₂/FNS/FeNi泡沫僅需120mV的過電位即可達到10mA·cm^-2電流密度；同時對于產氧反應，僅需204mV的極低過電位即可獲得相同的電流密度。密度泛函理論計算進一步揭示了MoS₂和FNS之間構建的耦合界面促進了H原子和OH基團的吸附，從而提高了HER和OER的性能。上述優越的性能從側面印證了獨特的結構是設計先進電催化劑的關鍵因素之一。

【圖文簡介】

圖1 MoS₂/FNS/FeNi材料形貌表征

a,b) 垂直生長MoS₂/FNS 異質結構的SEM圖像；

c) MoS₂/FNS 異質結構的TEM圖像；

d) MoS₂/FNS界面的HAADF-STEM圖像，內插為FNS的原子結構，其中黃色球代表硫原子，紫色球代表鐵/鎳原子；

e-i) MoS₂/FNS界面的元素分布圖像，白色虛線為MoS₂和FNS之間的界面。

圖2 MoS₂/FNS/FeNi材料的表面元素價態

a) MoS₂/FNS/FeNi材料的Mo 3d XPS光譜；

b) MoS₂/FNS/FeNi材料的S 2p XPS光譜；

c) MoS₂/FNS/FeNi泡沫的Fe 2p XPS光譜；

d) MoS₂/FNS/FeNi箔的Fe 2p XPS光譜。

圖3 MoS₂/FNS/FeNi系列材料的電催化HER性能

a) 1 M KOH中，MoS₂/FNS/FeNi泡沫、FNS/FeNi泡沫、 FeNi泡沫和MoS₂/FTO的極化曲線；

b) 10 mA·cm^-2時，MoS₂/FNS/FeNi泡沫和其他催化劑HER過電勢的比較；

c) 相應的HER Tafel斜率；

d) -122 mV時MoS₂/FNS/FeNi泡沫和-281 mV時MoS₂/FNS/FeNi箔的計時曲線。

圖4 MoS₂/FNS/FeNi系列材料的電催化OER性能

a) 1 M KOH中，MoS₂/FNS/FeNi泡沫、FNS/FeNi泡沫、 FeNi泡沫和MoS₂/FTO的CV曲線；

b) 10 mA·cm^-2時，MoS₂/FNS/FeNi泡沫和其他催化劑OER過電勢的比較；

c) 相應的OER Tafel斜率；

d) 204 mV時MoS₂/FNS/FeNi泡沫和251 mV時MoS₂/FNS/FeNi箔的計時曲線。

圖5 理論計算與機理解釋

a) MoS₂、Fe₉S₈、Ni₉S₈、MoS₂/FNS(Fe, Ni-MoS₂模型)、 MoS₂/Fe₉S₈(Mo-Fe₉S₈模型)和MoS₂/Ni₉S₈(Mo-Ni₉S₈模型)異質結的化學吸附模型以及相應的表面H和OH吸附能；

b) MoS₂/FNS耦合界面催化HER和OER機理示意圖。

【小結】

綜上所述，作者通過改變CVD的反應條件成功合成了在FNS/FeNi泡沫和其他基底上生長的且具有可控排列的垂直MoS₂陣列。進一步的研究表明，富含邊緣的MoS₂納米片在不同的基底的分解水效率均得到改善。其中，MoS₂/FNS/FeNi泡沫顯示出最佳性能，達到10 mA·cm^-2時的HER電位為120 mV， OER電位為204 mV。高比表面積、FeNi泡沫的理想導電性、MoS₂和FNS之間的耦合界面以及MoS₂的暴露邊緣對于電化學分解水具有有利的協同效應。因此，上述優勢使得MoS₂/FNS/ FeNi泡沫作為一種前景良好的分解水材料，其具有合成方法簡單、資源廉價和性能優越等特點，為尋找便宜、高效、清潔的分解水電極提供了有益的參考。

文獻鏈接：Coupling Interface Constructions of MoS₂/Fe₅Ni₄S₈ Heterostructures for Efficient Electrochemical Water Splitting?(Adv. Mater., 2018, DOI: 10.1002/adma.201803151)

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