复旦大学董安钢&李同涛AEM：多级结构调控解锁2H-MoS2超高电流密度下析氢活性

MYu 2年前 (2023-04-11) 3067浏览

一、【导读】

电解水被认为是最有前途的无碳清洁产氢技术，作为电解水过程的半反应，析氢反应（HER）涉及到发生在固液气三相界面的复杂电化学过程，因此需要具有低反应过电势的电催化剂来驱动这种液-气电化学转化。目前，Pt是最高效的HER用催化剂，但高昂的成本限制了其大规模应用。以MoS₂为代表的二维过渡金属硫化物因为具有自然丰度高及反应活性出色的优势，有望取代Pt基催化剂。很多研究者采用多种方式对MoS₂的组成及结构进行调节以增加活性位点数量及提高其导电性，使其在酸性介质中具有出色的HER稳定性。但MoS₂的大范围应用仍受限于其在低过电位及安培级电流密度（> 1000 mA cm^-2）下较低的电催化活性。

二、【成果掠影】

近日，复旦大学董安钢教授/李同涛青年研究员课题组提出了一种同步多级结构调控策略，大幅提高了2H-MoS₂的HER性能，使其有望实现在安培级电流密度下的实际应用。通过限制少层的弧形MoS₂纳米片在管状介孔石墨框架中的外延生长，可以对MoS₂在长度尺度上进行七个数量级内的调控。制备的MoS₂@C超级管得益于其从原子尺度到显微尺度上的独特结构特征，具有丰富的边缘位点的硫空位，能够促进电荷及质量传递，有利于气泡的快速移除。该MoS₂@C在高电流密度下的HER活性超过以往报道的2H-MoS₂催化剂以及商业化的Pt/C催化剂。该研究成果以“Unlocking the Ultrahigh-Current-Density Hydrogen Evolution on 2H-MoS₂ via Simultaneous Structural Control across Seven Orders of Magnitude”为题发表在知名期刊Advanced Energy Materials上。

三、【核心创新点】

通过将少层的弧形MoS₂的外延生长限制在管状介孔石墨烯框架内，同时在长度尺度上进行横跨七个数量级的结构工程，制备了MoS₂@C范德华超级管。

四、【数据概览】

图1 MoS₂@C超级管的微观结构：低倍率(a) SEM及(b) TEM，(a)中内嵌图为单管的SEM；(c) 图(b)方框区域的HRTEM图像；(d) 包含原子级分散的弧形MoS₂的单孔的HAADF-STEM图像，箭头处为断裂的MoS₂片层，黄色区域为MoS₂表面的缺陷区域；(e) STEM图像及对应的元素分布图。 © 2023 Wiley-VCH图2 MoS₂@C超级管的结构表征：(a) TGA 曲线；(b) MoS₂@C超级管和管状石墨框架的SAXS谱图；(c) MoS₂@C超级管和2H-MoS₂的XRD谱图；(d) Mo 3d区域的XPS光谱；(e) S 2p区域的XPS光谱；MoS₂@C超级管和管状石墨框架的(f) N₂吸附-脱附等温线和(g) 孔尺寸分布；MoS₂@C超级管和MoS₂纳米片的(h) 拉曼光谱及(i) EPR光谱。 © 2023 Wiley-VCH图3 不同MoS₂@C催化剂的HER性能：(a) 极化曲线；(b) 塔菲尔曲线；(c) 具有不同比例硫空位（0 – 25%）及应变成度（0 – 4%）的2H-MoS₂的HER反应自由能图；(d) 高电流密度下的极化曲线；不同MoS₂@C催化剂的(e) C_dl，(f) C_dl和j₀曲线，(g) 奈奎斯特曲线；(h) 复数电容(C_im)与频率(f)间函数的虚部，弛豫时间常数(τ₀)通过峰频率计算：τ₀ = (2πf)^-1；(i) 不同MoS₂@C催化剂间的综合性能比较。 © 2023 Wiley-VCH