復旦大學董安鋼&李同濤AEM：多級結構調控解鎖2H-MoS2超高電流密度下析氫活性

MYu 4個月前 (04-11) 1781瀏覽

一、【導讀】

電解水被認為是最有前途的無碳清潔產氫技術，作為電解水過程的半反應，析氫反應（HER）涉及到發生在固液氣三相界面的復雜電化學過程，因此需要具有低反應過電勢的電催化劑來驅動這種液-氣電化學轉化。目前，Pt是最高效的HER用催化劑，但高昂的成本限制了其大規模應用。以MoS₂為代表的二維過渡金屬硫化物因為具有自然豐度高及反應活性出色的優勢，有望取代Pt基催化劑。很多研究者采用多種方式對MoS₂的組成及結構進行調節以增加活性位點數量及提高其導電性，使其在酸性介質中具有出色的HER穩定性。但MoS₂的大范圍應用仍受限于其在低過電位及安培級電流密度（> 1000 mA cm^-2）下較低的電催化活性。

二、【成果掠影】

近日，復旦大學董安鋼教授/李同濤青年研究員課題組提出了一種同步多級結構調控策略，大幅提高了2H-MoS₂的HER性能，使其有望實現在安培級電流密度下的實際應用。通過限制少層的弧形MoS₂納米片在管狀介孔石墨框架中的外延生長，可以對MoS₂在長度尺度上進行七個數量級內的調控。制備的MoS₂@C超級管得益于其從原子尺度到顯微尺度上的獨特結構特征，具有豐富的邊緣位點的硫空位，能夠促進電荷及質量傳遞，有利于氣泡的快速移除。該MoS₂@C在高電流密度下的HER活性超過以往報道的2H-MoS₂催化劑以及商業化的Pt/C催化劑。該研究成果以“Unlocking the Ultrahigh-Current-Density Hydrogen Evolution on 2H-MoS₂ via Simultaneous Structural Control across Seven Orders of Magnitude”為題發表在知名期刊Advanced Energy Materials上。

三、【核心創新點】

通過將少層的弧形MoS₂的外延生長限制在管狀介孔石墨烯框架內，同時在長度尺度上進行橫跨七個數量級的結構工程，制備了MoS₂@C范德華超級管。

四、【數據概覽】

圖1? MoS₂@C超級管的微觀結構：低倍率(a) SEM及(b) TEM，(a)中內嵌圖為單管的SEM；(c) 圖(b)方框區域的HRTEM圖像；(d) 包含原子級分散的弧形MoS₂的單孔的HAADF-STEM圖像，箭頭處為斷裂的MoS₂片層，黃色區域為MoS₂表面的缺陷區域；(e) STEM圖像及對應的元素分布圖。? ? 2023 Wiley-VCH圖2? MoS₂@C超級管的結構表征：(a) TGA 曲線；(b) MoS₂@C超級管和管狀石墨框架的SAXS譜圖；(c) MoS₂@C超級管和2H-MoS₂的XRD譜圖；(d) Mo 3d區域的XPS光譜；(e) S 2p區域的XPS光譜；MoS₂@C超級管和管狀石墨框架的(f) N₂吸附-脫附等溫線和(g) 孔尺寸分布；MoS₂@C超級管和MoS₂納米片的(h) 拉曼光譜及(i) EPR光譜。? ? 2023 Wiley-VCH圖3? 不同MoS₂@C催化劑的HER性能：(a) 極化曲線；(b) 塔菲爾曲線；(c) 具有不同比例硫空位（0 – 25%）及應變成度（0 – 4%）的2H-MoS₂的HER反應自由能圖；(d) 高電流密度下的極化曲線；不同MoS₂@C催化劑的(e) C_dl，(f) C_dl和j₀曲線，(g) 奈奎斯特曲線；(h) 復數電容(C_im)與頻率(f)間函數的虛部，弛豫時間常數(τ₀)通過峰頻率計算：τ_0- = (2πf)^-1；(i) 不同MoS₂@C催化劑間的綜合性能比較。? ? 2023 Wiley-VCH