...二維硫化鉬共限域鈷/硒雙原子「裡應外合」高效催化電解水析氫

2020-11-24 中國科學院

大連化物所實現二維硫化鉬共限域鈷/硒雙原子「裡應外合」高效催化電解水析氫

2020-07-17 大連化學物理研究所

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　　近日，中國科學院大連化學物理研究所催化基礎國家重點實驗室二維材料與能源小分子轉化創新特區研究組研究員鄧德會團隊，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Co/Se「裡應外合」協同調控MoS2的催化性能，提升了其在催化酸性HER中的活性和穩定性。該研究為深入挖掘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。

　　MoS2是一種地球儲量豐富且具有獨特的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卻是惰性的且未被充分利用。此外，邊結構的低穩定性限制了MoS2的催化性能。調控激發麵內硫原子的活性、增加活性邊結構數量並同時提高整體結構的穩定性，是最大化提高其HER催化性能的有效途徑，然而卻極具挑戰。

　　研究團隊前期提出並實現通過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（Energy Environ. Sci.，2015，8，1594）。該策略能夠有效提高MoS2的面內HER活性，但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。該團隊最新研究發現，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，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。密度泛函理論研究發現，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。

　　鄧德會團隊聚焦二維催化材料的表界面調控研究，已在二維材料電解水催化劑方面取得系列研究進展（Adv. Mater.，2020，32，1908126；Angew. Chem. Int. Ed. ，2020，59，10502；Nano Energy，2020，72，104700；Nano Energy，2019，61，611；Chem. Rev.，2019，119，1806；Nano Energy，2018，52，494；Nat. Commun.，2017，8，14430；Nat. Nanotechnol.，2016，11，218；Energy Environ. Sci.，2016，9，123；Angew. Chem. Int. Ed.，2015，54，2100；Energy Environ. Sci.，2015，8，1594；Energy Environ. Sci.，2014，7，1919；發明專利10餘件）。在此基礎上，該團隊近期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。此外，該研究為可攜式氫氧儀催化劑電極的優化升級提供重要借鑑。

　　相關研究成果發表在《自然·通訊》（Nature Communications）上。研究工作得到國家科技部重點研發計劃項目，國家自然科學基金基礎科學中心項目、重大項目，中科院前沿科學重點研究項目，中科院潔淨能源創新研究院合作基金項目，教育部能源材料化學協同創新中心的資助。


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列印 責任編輯：侯茜

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