上海硅酸盐所在二维硫属化合物析氢催化研究方面取得重要进展

  • 文/图 上海硅酸盐所 (中国科学院上海硅酸盐研究所)
  • 创建于 2018-05-16
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  氢气是一种高效、清洁的燃料,制取氢气有多种方法,其中电解水析氢不会产生温室气体,对环境无污染,是制氢的理想方式,但在析氢反应中需要使用高效催化剂。二维硫属化合物(TMDs)在理论上具有与商用Pt/C可比拟的催化活性,但是大部分TMDs面内惰性强,使得自身活性位点数量少,催化性能提升有限。针对面内惰性的问题,众多研究工作通过对TMDs构建边界、面内缺陷的手段,在费米能级处引入活性态,可有效提升TMDs催化析氢性能,但这些改性方法不能优化材料的氢吸附自由能(ΔGH*)到最优值0 eV,需要进一步借助外部机械力或者精密设计的基板材料来调控ΔGH*,复杂的制备工艺和苛刻的结构调控手段严重制约了TMDs析氢催化剂的进一步应用。 

  近日,中国科学院上海硅酸盐研究所王家成研究员、刘建军研究员与新加坡南洋理工大学刘政教授合作提出在自身具有金属-金属键的TMDs中仅引入空位就可通过金属-金属键自优化催化性能的新理念,相关成果发表在美国化学会旗下著名刊物ACS Nano上(DOI:10.1021/acsnano.8b00693)。上海硅酸盐所周遥助理研究员,宋二红助理研究员和南洋理工大学周家东博士为本论文共同第一作者,论文共同通讯作者为王家成研究员、刘建军研究员和刘政教授。 

  该工作采用化学气相沉积法成功制备了具有金属空位的大面积单层ReS2,利用过量的含硫前驱体,在ReS2面内形成了金属空位。ReS2自身结构中具有金属-金属键,理论计算表明在金属空位的活化作用下,通过电荷补偿机制,对活性硫原子上的电子进行调控,使得整体材料的ΔGH*仅为0.016 eV,是目前二维材料中最接近理论最优值0 eV的材料。该材料在酸性条件下表现出优异的催化析氢性能,10 mA cm-2电流密度下的过电势仅为-147 mV (vs. RHE), 单位硫原子TOF值可达1-10 s-1,1000个循环后仍能保持高催化活性,大幅度超越仅有空位修饰且无金属-金属键的TMDs。 

  王家成研究员团队自2015年初即开展分解水制氢的研究工作,已取得系列研究结果,主要包括设计/制备具有高稳定的少层石墨层包覆的纳米Mo2C、W2C析氢催化材料(Angew. Chem. Int. Ed., 2015, 54, 14723;J. Mater. Chem. A, 2016, 4, 8204);与刘建军研究员合作,通过第一性原理计算表明Co, N共掺促进了WC/Co/NCNTs混杂材料中电荷转移,有效提高其析氢活性(Energy Storage Mater., 2017, 6, 104);利用衬底效应设计了一种超低Pt负载(仅为0.74 wt%)析氢催化剂,其酸性溶液中性能与商用20 wt% Pt/C相当(Mater. Today Energy, 2017, 6, 173)。 

  以上研究工作得到了国家重点研发计划、国家自然科学基金、中科院百人计划、上海市科委等项目的资助。 

  文章链接: 

  https://pubs.acs.org/doi/10.1021/acsnano.8b00693 

  单层具有金属空位的二硫化铼用于HER催化 (a)电荷补偿机制;(b)大面积连续单层ReS2;(c) ReS2面内Re空位;(d) LSV曲线;(e) TOF值;(f) HER催化性能比较 

责任编辑:黄巧