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双功能电催化剂MoS2-Ni3S2纳米棒的控制合成及水分解性能

电解水是高效、绿色的制氢途径,是“氢经济”中至关重要的环节。电解水包括析氢(HER)和析氧(OER)两个反应,热力学分解电位为1.23 V。然而,其动力学过电位造成极大的额外能耗,需要采用一定催化剂予以降低。目前,该过程严重依赖贵金属催化剂,如Pt催化剂在HER表现了良好的活性,Ru、Ir金属及其氧化物是最优的OER催化剂。以上贵金属成本昂贵、自然储量低,实际应用受到极大的限制。因此,开发高效、稳定的非贵金属催化剂是目前研究的热点。

图1. MoS2-Ni3S2/NF催化剂的合成示意图


图2. MoS2-Ni3S2/NF催化剂随AHM/NF(钼酸铵与泡沫镍)投料比变化的形貌演变


最近,暨南大学高庆生研究员与华南理工大学杨黎春副教授合作,在MoS2多级纳米结构的前期工作基础上Adv. Mater., 2013, 25, 1180; J. Power Sources, 2015, 275, 588; ACS Appl. Mater. Interfaces, 2015, 7, 23741)利用钼酸根阴离子的一维生长习性,通过简单的水热法在泡沫镍上生长MoS2-Ni3S2异质纳米棒(图1)。他们通过改变反应物的比例调控产物的形貌,从而改变活性表面的分布(图2)。在适中的比例下,产物呈现出纳米棒结构:一维Ni3S2表面均匀地修饰MoS2纳米片,形成多级纳米形貌。该结构充分暴露MoS2-Ni3S2异质纳米界面,强化MoS2Ni3S2的电子相互作用,优化对催化反应中间产物H*和OH*的吸附,提高了催化析氢、析氧的本征活性;同时,一维Ni3S2结构有效促进电子传输,而三维多孔的泡沫镍有利于电解质的扩散和气体逸出,提高了传质动力学。因此,在碱性电解质中,MoS2-Ni3S2 纳米棒表现了优异的HER和OER活性,产生10 mA•cm-2的电流密度所对应的过电位(η10)分别为98和249 mV,优于已报道的大多数非贵金属催化剂(图3)。将这种结构用于全电解水反应时,在1.5 V的低电压下就能产生10 mA•cm-2的电流密度,甚至优于商业IrO2/C-Pt/C催化剂,具有良好的应用前景。

图3. MoS2-Ni3S2/NF的电催化性质表征:(a)电化学活性表面、析氢过电位与合成投料比的变化关系(与图2产物的形貌对应);(b)1.0 M KOH中的HER;(c)1.0 M KOH中的OER;(d)1.0 M KOH中的全电解水(overall water splitting, OWS)


上述成果近期发表在ACS Catalysis 上。研究工作得到国家自然科学基金、广东省杰出青年基金、广东省“特支计划”等支持。


该论文作者为:Yaqing Yang, Kai Zhang, Huanlei Lin, Xiang Li, Hang Cheong Chan, Lichun Yang, Qingsheng Gao

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MoS2−Ni3S2 Heteronanorods as Efficient and Stable Bifunctional Electrocatalysts for Overall Water Splitting

ACS Catal., 2017, 7, 2357, DOI: 10.1021/acscatal.6b03192


高庆生研究员简介

高庆生,博士,暨南大学化学与材料学院研究员,博士生导师,兼任第七届广东省化学学会理事、物理化学专业委员会副主任;2005、2010年在复旦大学分别获学士、博士学位,2010年赴德国马普胶体研究所从事博士后工作,2012年7月到暨南大学工作;研究领域包括:金属非氧化物的电化学能源存储/转化应用、精细化学品定向转化催化剂等;主持国家自然科学基金项目2项,作为合作单位负责人参与国基重点项目1项,入选广东省自然科学杰出青年基金,“特支计划”科技创新青年拔尖人才、优秀青年教师培养计划等;在Energy Environ. Sci.Adv. Mater.Angew. Chem. Int. Ed.Adv. Funct. Mater.Chem. Sci.ACS Catal. 等期刊上发表SCI论文40余篇(含ESI高引论文4篇、期刊封面论文6篇),应邀撰写2部英文专著的2个章节,获授权发明专利4项。


杨黎春博士简介

杨黎春,博士,华南理工大学材料科学与工程学院副教授,硕士生导师;2005、2010年分别在复旦大学获理学学士、博士学位;2010年赴德国莱布尼茨固态与材料研究所从事助理研究员工作,2012年7月进入华南理工大学工作;杨黎春博士主要从事电化学能源存储及转化材料的研究;主持国家自然科学基金项目2项、科技部国际合作项目1项,参与国家自然科学基金面上项目1项,是广东省自然科学基金创新团队核心成员、国家自然科学基金创新群体项目成员;目前已在Adv. Mater.J. Mater. Chem. AACS Catal. 等期刊上发表SCI论文50余篇,他引总次数超过2000次,5篇论文的单篇引用次数超过100次,4篇论文入选ESI高引论文;获得专利授权2项,参与4本专著中储能材料章节的编写。


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