上海交大邬剑波&朱虹Adv. Mater. : MoS2/Fe5Ni4S8异质耦合界面的构筑及其高效电催化分解水

【引言】

电化学析氢反应(HER)和产氧反应(OER)是分解水的两个关键过程。对于析氢反应来说，二硫化钼(MoS₂)是其中一种非常有前景的材料，这一点已经通过实验结果和理论计算得到证明。2D材料具有巨大的优势，包括高比表面积和特殊的面内电子转移模式。特别地，2D MoS₂ NSs边缘处的硫原子的氢吸附能量接近零，表明其潜在活性应与Pt相当。同时，对于产氧反应，根据最近的研究，铁/镍基化合物表现出优异的OER性能。铁镍合金(FeNi)泡沫具有丰富的活性位点，大的比表面积和高导电性，是高效催化OER的备选材料。为了促进两种分解水反应，最近的研究集中在各种方法上，包括整合高效HER材料和高效OER材料的优势、增加导电性、提高表面积等。因此，建立具有高效HER/OER催化剂耦合界面的新颖异质结构有望进一步促进分解水反应。

【成果简介】

近日，上海交通大学邬剑波研究员、朱虹研究员(共同通讯作者)等制备FeNi衬底上垂直生长MoS₂ NS的同时获得了在MoS₂界面处原位生长Fe₅Ni₄S₈(FNS)，并在Adv. Mater.上发表了题为“Coupling Interface Constructions of MoS₂/Fe₅Ni₄S₈ Heterostructures for Efficient Electrochemical Water Splitting”的研究论文。对于析氢反应，所得的MoS₂/FNS/FeNi泡沫仅需120mV的过电位即可达到10mA·cm^-2电流密度；同时对于产氧反应，仅需204mV的极低过电位即可获得相同的电流密度。密度泛函理论计算进一步揭示了MoS₂和FNS之间构建的耦合界面促进了H原子和OH基团的吸附，从而提高了HER和OER的性能。上述优越的性能从侧面印证了独特的结构是设计先进电催化剂的关键因素之一。

【图文简介】

图1 MoS₂/FNS/FeNi材料形貌表征

a,b) 垂直生长MoS₂/FNS 异质结构的SEM图像；

c) MoS₂/FNS 异质结构的TEM图像；

d) MoS₂/FNS界面的HAADF-STEM图像，内插为FNS的原子结构，其中黄色球代表硫原子，紫色球代表铁/镍原子；

e-i) MoS₂/FNS界面的元素分布图像，白色虚线为MoS₂和FNS之间的界面。

图2 MoS₂/FNS/FeNi材料的表面元素价态

a) MoS₂/FNS/FeNi材料的Mo 3d XPS光谱；

b) MoS₂/FNS/FeNi材料的S 2p XPS光谱；

c) MoS₂/FNS/FeNi泡沫的Fe 2p XPS光谱；

d) MoS₂/FNS/FeNi箔的Fe 2p XPS光谱。

图3 MoS₂/FNS/FeNi系列材料的电催化HER性能

a) 1 M KOH中，MoS₂/FNS/FeNi泡沫、FNS/FeNi泡沫、 FeNi泡沫和MoS₂/FTO的极化曲线；

b) 10 mA·cm^-2时，MoS₂/FNS/FeNi泡沫和其他催化剂HER过电势的比较；

c) 相应的HER Tafel斜率；

d) -122 mV时MoS₂/FNS/FeNi泡沫和-281 mV时MoS₂/FNS/FeNi箔的计时曲线。

图4 MoS₂/FNS/FeNi系列材料的电催化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曲线；

b) 10 mA·cm^-2时，MoS₂/FNS/FeNi泡沫和其他催化剂OER过电势的比较；

c) 相应的OER Tafel斜率；

d) 204 mV时MoS₂/FNS/FeNi泡沫和251 mV时MoS₂/FNS/FeNi箔的计时曲线。

图5 理论计算与机理解释

a) MoS₂、Fe₉S₈、Ni₉S₈、MoS₂/FNS(Fe, Ni-MoS₂模型)、 MoS₂/Fe₉S₈(Mo-Fe₉S₈模型)和MoS₂/Ni₉S₈(Mo-Ni₉S₈模型)异质结的化学吸附模型以及相应的表面H和OH吸附能；

b) MoS₂/FNS耦合界面催化HER和OER机理示意图。

【小结】

综上所述，作者通过改变CVD的反应条件成功合成了在FNS/FeNi泡沫和其他基底上生长的且具有可控排列的垂直MoS₂阵列。进一步的研究表明，富含边缘的MoS₂纳米片在不同的基底的分解水效率均得到改善。其中，MoS₂/FNS/FeNi泡沫显示出最佳性能，达到10 mA·cm^-2时的HER电位为120 mV， OER电位为204 mV。高比表面积、FeNi泡沫的理想导电性、MoS₂和FNS之间的耦合界面以及MoS₂的暴露边缘对于电化学分解水具有有利的协同效应。因此，上述优势使得MoS₂/FNS/ FeNi泡沫作为一种前景良好的分解水材料，其具有合成方法简单、资源廉价和性能优越等特点，为寻找便宜、高效、清洁的分解水电极提供了有益的参考。

文献链接：Coupling Interface Constructions of MoS₂/Fe₅Ni₄S₈ Heterostructures for Efficient Electrochemical Water Splitting (Adv. Mater., 2018, DOI: 10.1002/adma.201803151)

本文由材料人编辑部abc940504编译整理。

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