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纳米多孔镍和石墨烯双修饰的二硫化钼:一种有效的析氢反应催化剂的设计

电化学分解水制氢(HER)可以充分利用二次能源来实现对H2的高纯度制备,而催化剂的选择是其关键。在众多催化材料中,二硫化钼(MoS2)具有独特的结构特点和适当的吸氢自由能,由此受到研究者的广泛关注。但是,其性能仍无法与铂基材料相媲美,主要是因为:(1) MoS2活性位置少;(2) MoS2的导电性差。因此,如何提高MoS2的催化活性仍然是一项巨大的挑战。科研人员为此开展大量的工作,比如通过调控MoS2的结构和形貌来增加其活性位置;通过掺杂或制造硫空位来活化惰性的MoS2表面;与高导电性的纳米材料复合来提高导电性等。这些工作对提高MoS2的催化活性做出了很大的贡献,但是同时也增加了制备成本,而且催化性能还有待进一步提高,因而限制了MoS2的大规模应用。


吉林大学杨春成教授(点击查看介绍)、蒋青教授(点击查看介绍)及其团队采用计算机模拟与实验相结合的手段,设计开发了一种高效、稳定、低成本的纳米多孔镍、石墨烯双改性的MoS2复合材料(NPNi-MoS2/RGO)作为HER催化剂。他们通过密度泛函理论计算,发现Ni原子吸附在MoS2的边缘,能够使吸氢自由能接近最佳值。MoS2与石墨烯形成异质结构,吸氢自由能更接近最佳值,进一步提高了HER活性(图1)。此外,MoS2/石墨烯双层异质结构有一个接近于0的能隙(0.07 eV),说明异质结构有利于电子的传输。

图1. 平衡电势下的吸氢自由能图(U = 0 V),包括Ni原子在MoS2不同位置(Ni@S桥位、Ni@S顶位和Ni@Mo顶位)上的吸附结构以及H原子在上述体系的吸附结构。实线和虚线分别代表Ni-MoS2和Ni-MoS2/graphene两种结构的反应路径。蓝色、黄色、青色、灰色和白色的球分别代表Mo、S、Ni、C和H原子。相应的数据是在标准条件下得到的(H2 1 bar, pH=0, T=300 K)。


基于理论设计,他们通过水热法和热处理合成了NPNi-MoS2/RGO复合材料,并对其进行结构表征以及电化学性能的测试,发现该复合材料具有非常小的起始电势,约为85 mV,Tafel斜率为71.3 mV•dec-1,还表现出良好的循环稳定性(图2)。上述性能的提高主要来自于NPNi、RGO和MoS2三者的协同效应,使该复合材料具有更多的离子/电子扩散通道、更多的活性位置、更高的催化活性。该工作中计算机模拟辅助的催化剂设计以及双修饰策略还可以拓展到其他领域,用于高效低成本的催化剂的设计与开发。

图2. HER性能:(a)单纯的GCE、Pt/C、RGO、MoS2、MoS2/RGO、NPNi-MoS2和NPNi-MoS2/RGO复合材料的极化曲线;(b)Pt/C、MoS2、MoS2/RGO、NPNi-MoS2和NPNi-MoS2/RGO复合材料的塔菲尔曲线;(c) NPNi-MoS2/RGO复合材料初始和经过20000圈CV循环后的极化曲线对比图;(d) NPNi-MoS2/RGO复合材料在恒定电压-0.19 V (相对于可逆氢电极)下连续测试30000 s的时间-电流密度关系曲线(插图为NPNi-MoS2/RGO复合材料经过30000 s长循环测试后的TEM成像)。


这一成果近期发表在ACS Catalysis上,文章的第一作者是吉林大学的博士研究生陈丽新陈志文


该论文作者为:Lixin Chen, Zhiwen Chen, Yu Wang, Chuncheng Yang and Qing Jiang

原文(扫描或长按二维码,识别后直达原文页面,或点此查看原文):

Design of Dual-Modified MoS2 with Nanoporous Ni and Graphene as Efficient Catalysts for the Hydrogen Evolution Reaction

ACS Catal., 2018, 8, 8107, DOI: 10.1021/acscatal.8b01164


导师介绍

杨春成

http://www.x-mol.com/university/faculty/38017

蒋青

http://www.x-mol.com/university/faculty/49993


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