酸性電解水析氫催化劑研究取得新進展—新聞—科學網

2020-12-24 科學網

 

近日，中科院大連化學物理研究所研究員鄧德會團隊在酸性電解水析氫（HER）催化劑研究中取得新進展，基於二維硫化鉬（MoS2）的三原子層結構特性，將Co和Se分別限域在其內層和表層晶格中，實現了Co/Se「裡應外合」協同調控MoS2的催化性能，顯著提升了其在催化酸性HER中的活性和穩定性。相關研究成果發表於《自然—通訊》。

MoS2是一種地球儲量豐富且具有獨特幾何和電子結構的二維材料，在電催化HER中表現出較好的催化性能，具有替代貴金屬鉑基催化劑的潛力。然而，常規MoS2只在其邊緣硫位點上顯示一定的催化HER活性，而大量的處於二維面內的硫原子是惰性的且未被充分利用。

據鄧德會介紹，研究團隊2015年在國際上率先提出並實現通過MoS2晶格限域金屬雜原子來調控面內惰性硫原子的催化活性。能夠有效提高MoS2的面內HER活性，但也不可避免地過度活化邊結構，導致邊結構硫位點吸附氫過強。經過幾年的深入研究，科研人員發現，將Co和Se分別限域在MoS2三原子層的內層和表層晶格中（分別替代Mo和S），能夠同時實現面內和邊活性的調控優化以及結構穩定性的提高。該催化劑顯示了優異的酸性HER催化性能：其在1000 mA cm-2的大電流密度下的過電位僅為382 mV，顯著低於商業化Pt/C催化劑的671 mV，且能夠穩定保持360 h而無明顯的活性衰減，這超過了目前已報導的異質原子摻雜MoS2催化劑的HER性能。

在密度泛函理論研究中發現，內層限域的Co可以激發麵內惰性硫的活性，而表層限域的Se則提供了一種穩定化效應，兩者協同「裡應外合」，一方面適度減弱了活性位點的氫吸附強度（吸附能更接近0 eV），降低了過電位；另一方面提高了摻雜結構的穩定性，從而促進了面內和邊活性位點的大量形成。

本項工作為深入挖掘MoS2的催化析氫潛力以及設計廉價、高效HER催化劑提供了新思路。

研究團隊近期成功研製了基於非貴金屬整體式催化劑電極的可攜式氫氧儀，並實現量產，已獲得中國GB、歐盟RoHS、歐盟CE和美國FDA認證，可在亞洲、歐洲及美洲等國家市場流通。

相關論文信息：https://doi.org/10.1038/s41467-020-17199-0

 

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