ACS Sustain. Chem. Eng:原子级精确的镍纳米团簇用于提高析氢反应性能

一、【导读】

   氢气（H₂）被认为是一种无污染的可再生能源和化石燃料的替代品。通过具有成本效益的电化学水分解生产可持续氢燃料被认为是未来满足绿色和清洁能源需求的最有希望的途径之一。迄今为止，电催化析氢反应（HER）主要是使用稀有和贵金属作为催化剂来实现的。然而，这些贵金属的高成本和稀缺性严重阻碍了它们的实际应用。在过去的几十年中，开发了许多不含贵金属的电催化剂，例如硼化物、碳化物、氮化物、磷化物、硫化物、硒化物等。其中二维过渡金属硫化物或者硒化物纳米片因其更低的氢吸附吉布斯自由能和高稳定性等优点受到广泛关注。然而，由于范德华力相互作用导致纳米片重新堆积，导电性低于贵金属以及HER过程的基面惰性等缺点也影响其进一步发展。研究发现原子级精确的金属纳米团簇 (NC) 能够有效的在界面处将电荷进行分离以及激活边缘位点。因此，合理的设计原子级精确的金属纳米团簇和二维硫化物或者硒化物的复合结构能有效的促进电催化HER的活性。

二、【成果掠影】

   近日，印度纳米科学技术研究所Amitava Patra团队通过在二维MoSe₂纳米片(NSs)上设计了水溶性原子级精确的Ni纳米团簇(NCs)，MoSe₂和Ni NC之间的强界面相互作用提高HER的催化性能。相关的研究成果以“Atomically Precise Ni Nanoclusters for Improving Hydrogen Evolution Reaction Performance”为题发表在ACS Sustainable Chemistry & Engineering上。

三、【核心创新点】

   1、该工作开发了一种在室温下合成硫醇盐稳定的水溶性原子级精确Ni NC的新方法，并成功的将合成后的Ni NC锚定在二维MoSe₂ NS上。

   2、研究发现基于Ni NC和MoSe₂ NS之间的强界面相互作用，大量电子密度从Ni NCs转移到MoSe₂ NS上，从而加速了MoSe₂的HER动力学。

四、【数据概览】

图1 (a) Ni NC合成示意图，(b) Ni NC和DHLA的紫外-可见吸收光谱（插图：肉眼观察到的 Ni NC 溶液颜色）。(c) Ni NC的MALDI光谱，以及(d,e) Ni NC 的TEM 和 HRTEM 图像。© 2023 ACS publication

图2 MoSe2的(a) SEM 图，(b)低倍TEM图以及(c) HRTEM图。 (d–f) TEM 和 HRTEM 图载有 Ni NC的 MoSe₂。(g) MoSe₂的STEM 图像以及(h–j) 相应的 EDS映射。© 2023 ACS publication

图3 (a) Ni NCs 和 Ni NCs/MoSe₂的Ni 2p XPS光谱。 MoSe₂和Ni NCs/MoSe₂的(b)Mo 3d和(c) Se 3d XPS光谱。© 2023 ACS publication

图4 Ni NCs、MoSe₂、Ni/MoSe₂和Pt/C对HER的电催化性能。(a) HER极化曲线。(b) Tafel 斜率。(c) C_dl图。(d) Nyquist图。© 2023 ACS publication

图5 (a) MoSe₂和5 wt% Ni/MoSe₂的计时电流测量，(b) 5 wt% Ni/MoSe₂催化前后的 HER 极化曲线，(c) 5 wt% Ni/MoSe₂催化前后的C dl图5 wt%。(d) 5 wt% Ni/MoSe₂催化前后的Nyquist图。© 2023 ACS publication

五、【成果启示】

   综上所述，作者开发出一种新颖的湿化学方法合成了原子级精确的 Ni NC，并锚定在二维MoSe₂ NS 上提高了传统MoSe₂ NS 催化剂的HER催化活性。这项工作提供一种使用原子级精确的非贵金属NC作为具有成本效益的助催化剂来加速过渡金属二硫化物或者硒化物HER动力学的有前途的策略，同时为设计高效和低成本的电催化剂以提高 HER 性能开辟了更多机会。

原文详情： https://doi.org/10.1021/acssuschemeng.2c06999

本文由K . L撰稿。