武汉理工大学Nano Lett.:场效应调控VSe2纳米片吸附动力学实现HER高效催化
【引言】
二维层状过渡金属硫化物(TMDCs)由于其独特的晶体结构和电子能带结构,在纳米电子学、光电子学和电化学储能器件领域备受关注。基于TMDCs电子结构转变而提升电导率的电化学储能器件,其储能效率也得到了有效的改善。研究发现MoS2从2H半导体相到1T金属相的转变,提高了材料本身的电导率,从而大幅度提高了其在析氢反应(HER)中的催化性能。部分研究称,通过调节FET基电化学-液相栅极电压可以有效调控液相中离子浓度和半导体电导率,从而增强离子传导和优化过电位。对于HER体系而言,除催化热力学以外,离子动力学也至关重要,如何通过场效应调控电荷输运速率和吸附动力学仍有待攻克。
【成果简介】
近日,武汉理工大学麦立强教授课题组在Nano Lett.上发表一篇题为“Field-effect tuned adsorption-dynamics of VSe2 nanosheet for enhanced hydrogen evolution reaction”的文章,介绍了电场调控VSe2纳米片吸附动力学,增强HER性能的相关工作。研究人员利用不同的背栅电压诱导实现了电解液-VSe2纳米片界面的离子分布调控,提高了电荷运输效率,从而在根本上促进了HER的放电过程这一限速反应。由于电场调控VSe2纳米片吸附动力学的作用,起始过电位从126 mV降低到了70 mV,电荷转移电阻从1.03 MΩ降低到了0.15 MΩ,吸附过程时间常数从2.5×10-3 降低到了5.0×10-4 s。通过电场效应调控增强VSe2纳米片催化性能这一技术,为非贵金属催化剂的设计提供了一种新思路。
【图文导读】
图一 HER器件的形貌及工作原理图示
(a) VSe2的晶体结构模型;
(b) HER器件的结构示意图;
(c) VSe2纳米片的光学显微图片,其中黄色条纹代表两金电极;
(d-e) VSe2纳米片的SEM图像及对应的EDS元素分布图。
图二 单个VSe2纳米片的HER活性表征
(a) PMMA, Au, VSe2, Pt的极化曲线;
(b-c) 在不同背栅电压(Vbg=0 V, -0.2 V, -0.5 V, -0.8 V和-1.0 V)下,单个VSe2纳米片的极化曲线及对应的塔菲尔曲线;
(d) 背栅电压对起始过电位和塔菲尔斜率的影响。
图三 电化学阻抗和热力学分析
(a) 不同背栅电压下,单个VSe2纳米片的奈奎斯特图;
(b) 电荷转移电阻(Rct)和极化电阻(Rp)图;
(c) 相对应的高频时间常数和低频时间常数图;
图四 HER条件下的原位伏安特性测试
(a) 不同电势差∆V(∆V=V1-V2)下的极化曲线,插图为原位测试电路的示意图;
(b) 负载电压为-0.1V、-0.2V和-0.3V时,电势差∆V和电流I之间的线性关系图;
(c) 线扫描过程中,VSe2纳米片的电阻变化曲线,插图为0.1 V到-0.4 V的部分扫描曲线;
(d) VSe2纳米片在0.5 M H2SO4中的开路电压,步长为-0.1 V,保持时间为10 s;
(e) 不同的附加电位偏置下,电解质区域中的净电荷浓度分布;
(f) 不同的附加电位偏置下,正、负电荷以及净电荷浓度(插图),其中点代表H+,线代表SO4-。
图五 计时电流测试
(a)在恒定负载电压-0.4 V vs. SCE (Vbg = 0 V和-0.8 V)下, VSe2纳米片的计时电流曲线;
(b) 在计时电流测量过程(Vbg = -0.8V)中,时间相关的栅极电流。
【小结】
在本文中,研究人员通过背栅电场实现离子和电荷分布调控,提高了VSe2纳米片的HER性能。测试结果显示,初始过电位从126 mV降低到了70 mV,塔菲尔斜率从70 mVdec-1降低到了59 mVdec-1,电荷转移电阻和高频时间常数也得到了大幅度减小,从而促进了VSe2纳米片HER的放电过程这一限速步。该结果为非贵金属催化剂的性能提升提供了新的研究方向。
原文链接:Field-effect tuned adsorption-dynamics of VSe2 nanosheet for enhanced hydrogen evolution reaction(Nano Lett., 2017, DOI: 10.1021/acs.nanolett.7b00855)
本文由材料人新能源组 深海万里 供稿,材料牛编辑整理。
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