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廈門大學鄧德會研究員在Nature Communications發(fā)表酸性電解水析氫催化劑研究新進展

來源:廈門大學      2020-07-16
導讀:近日,廈門大學能源材料化學協(xié)同創(chuàng)新中心(iChEM)鄧德會研究員團隊在酸性電解水析氫(HER)催化劑研究中取得新進展?;诙S硫化鉬(MoS2)的三原子層結(jié)構(gòu)特性,將Co和Se分別限域在其內(nèi)層和表層晶格中,實現(xiàn)了Co/Se“里應外合”協(xié)同調(diào)控MoS2的催化性能,顯著提升了其在催化酸性HER中的活性和穩(wěn)定性。該工作為深入挖掘MoS2的催化析氫潛力以及設(shè)計廉價、高效HER催化劑提供了新思路,相關(guān)結(jié)果發(fā)表于《自然-通訊》上(“Boosting hydrogen evolution on MoS2 via co-confining selenium in surface and cobalt in inner layer”, Nature Communications, DOI:10.1038/s41467-020-17199-0)。

近日,能源材料化學協(xié)同創(chuàng)新中心(iChEM)鄧德會研究員團隊在酸性電解水析氫(HER)催化劑研究中取得新進展?;诙S硫化鉬(MoS2)的三原子層結(jié)構(gòu)特性,將Co和Se分別限域在其內(nèi)層和表層晶格中,實現(xiàn)了Co/Se“里應外合”協(xié)同調(diào)控MoS2的催化性能,顯著提升了其在催化酸性HER中的活性和穩(wěn)定性。該工作為深入挖掘MoS2的催化析氫潛力以及設(shè)計廉價、高效HER催化劑提供了新思路,相關(guān)結(jié)果發(fā)表于《自然-通訊》上(“Boosting hydrogen evolution on MoS2 via co-confining selenium in surface and cobalt in inner layer”, Nature Communications, DOI:10.1038/s41467-020-17199-0)。

MoS2是一種地球儲量豐富且具有獨特的幾何和電子結(jié)構(gòu)的二維材料,其在電催化HER中表現(xiàn)出較好的催化性能,具有可替代貴金屬鉑基催化劑的潛力。然而,常規(guī)MoS2只在其邊緣硫位點上顯示一定的催化HER活性,而大量的處于二維面內(nèi)的硫原子卻是惰性的且未被充分利用。此外,邊結(jié)構(gòu)的低穩(wěn)定性也限制了MoS2的催化性能。調(diào)控激發(fā)面內(nèi)硫原子的活性、增加活性邊結(jié)構(gòu)數(shù)量并同時提高整體結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性是提高其HER催化性能的有效途徑,然而極具挑戰(zhàn)。


該團隊前期提出通過MoS2晶格限域金屬雜原子來調(diào)控面內(nèi)惰性硫原子的催化活性(Energy Environ. Sci., 2015, 8, 1594)。該策略能夠有效提高MoS2的面內(nèi)HER活性,但也不可避免地過度活化邊結(jié)構(gòu),導致邊結(jié)構(gòu)硫位點吸附氫過強。該團隊最新的研究發(fā)現(xiàn)將Co和Se分別限域在MoS2三原子層的內(nèi)層和表層晶格中(分別替代Mo和S),能夠同時實現(xiàn)面內(nèi)和邊活性的調(diào)控優(yōu)化以及結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性的提高。該催化劑顯示了優(yōu)異的酸性HER催化性能:在1000 mA cm-2電流密度下的過電位僅為382 mV,顯著低于商業(yè)化Pt/C催化劑的671 mV,且活性能夠穩(wěn)定保持360小時而無明顯衰減,超過了目前已報道的異質(zhì)原子摻雜MoS2催化劑的HER性能。密度泛函理論研究發(fā)現(xiàn),內(nèi)層限域的Co可以激發(fā)面內(nèi)惰性硫的活性,而表層限域的Se則提供了一種穩(wěn)定化效應,兩者協(xié)同“里應外合”一方面適度減弱了活性位點的氫吸附強度(吸附能更接近0 eV),降低了過電位;另一方面提高了摻雜結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性,從而促進了面內(nèi)和邊活性位點的大量形成。

鄧德會團隊長期聚焦二維催化材料的表界面調(diào)控研究,已在二維材料電解水催化劑方面取得系列研究進展(Adv. Mater., 2020, 32, 1908126; Angew. Chem. Int. Ed., 2020, 59, 10502; Nano Energy, 2020, 72, 104700;Nano Energy, 2019, 61, 611; Chem. Rev., 2019, 119, 1806;Nano Energy, 2018, 52, 494; Nat. Commun., 2017, 8, 14430;Nat. Nanotechnol., 2016, 11, 218;Energy Environ. Sci., 2016, 9, 123; Angew. Chem. Int. Ed., 2015, 54, 2100; Energy Environ. Sci., 2015, 8, 1594; Energy Environ. Sci., 2014, 7, 1919),并申請發(fā)明專利10余件。在此基礎(chǔ)上,近期成功研制了基于非貴金屬整體式催化劑電極的便攜式氫氧儀,已實現(xiàn)量產(chǎn),并獲得中國GB、歐盟RoHS、歐盟CE和美國FDA認證。本研究的發(fā)現(xiàn)也為便攜式氫氧儀催化劑電極的升級迭代提供支持。

化學化工學院2017級碩士生鄭智龍和中科院大連化學物理研究所于良副研究員為論文的共同第一作者。上述工作得到了科技部重點研發(fā)計劃項目,國家自然科學基金基礎(chǔ)科學中心、重大項目,中科院前沿科學重點研究項目,中科院潔凈能源創(chuàng)新研究院合作基金項目,教育部能源材料化學協(xié)同創(chuàng)新中心(iChEM)的資助。

論文鏈接:https://www.nature.com/articles/s41467-020-17199-0


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