西安交大《Small》界面工程獲得異質結構，實現高性能催化產氫

2020-08-14 材料material

導讀：本文通過界面誘導的方法實現了高百分比的3D-1T MoS2/CoS2異質納米結構，該結構在酸性和鹼性條件下都具有較好的產氫性能。同時這種方法可以很容易地擴展各種二維納米異質結，進而促進高性能異質結的發展。


眾所周知，異質結構會觸發界面中的電子轉移，可以調整界面的電子狀態並優化催化活性，導致高催化性能。相對於2H相的二硫化鉬，1T相的二硫化鉬具有更好的催化活性位點，目前，如何製備1T相二硫化鉬的異制結依舊是一個挑戰。

近日，西安交通大學的材料與科學工程學院的宋江選（通訊作者）通過一步法硫化鉬酸鈷氧化物獲得了高性能產氫的3D-1T MoS2/CoS2異質結構。相關論文以題為「3D1T-MoS2/CoS2 Heterostructure via Interface Engineering for Ultrafast Hydrogen Evolution Reaction」發表在small期刊上。


論文連結：

https://pubmed.ncbi.nlm.nih.gov/32686314/


研究結果發現3D-1T MoS2/CoS2具有沿著納米棒的獨立納米片的結構，因此暴露了更多的活性位點。界面誘導使得MoS2由2H相轉變為1T相，從而具有更好的導電性和電子傳輸能力。在酸性條件下可達到26mV的過電勢（電流密度為10mA/cm2）且穩定性高達120小時，同時在鹼性條件下也達到了71mV的過電勢（電流密度為10mA/cm2）且穩定性高達72小時。


進一步通過密度泛函理論進行了分析在1T-MoS2和CoS2的異制結構的界面處，MoS2和CoS2面表現出超高的HER活性，幾乎-0.01和-0.009 eV的零ΔGH，比最新的Pt催化劑（-0.08 eV）小。這表明異質結界面是HER的活躍中心，從而實現了超快氫吸附和解吸動力學。


圖1.鉬酸鈷氧化物和1T-MoS2/CoS2異質結構的表徵。 a)為合成路線的示意圖。b)鉬酸鈷氧化物的SEM圖像，插圖為更高倍數的SEM圖像。c–h）1T-MoS2/CoS2異質結的表徵。c）SEM圖片。d）對應的EDS映射。e）不同解析度的TEM圖像。f, g）1T-MoS2/CoS2異質結構的HRTEM圖像。插圖是MoS2的層間距離和1T和2H MoS2的原子結構。


圖2：3D 1T-MoS2/CoS2異制結的結構表徵，a)為XRD表徵，b)為拉曼表徵，c)和d)分別為Mo和S的XPS表徵。


圖3：a-c)1 m KOH和d-i)0.5 m H2SO4中，催化劑對HER的電化學性能。 a,d)Pt/ C，MoS2/CoS2異質結構，MoS2納米片和CoS2納米片為催化劑的線性掃描伏安法（LSV）的曲線。 b,e)圖為相應的Tafel曲線。c, f)為在不同電流密度下MoS2/CoS2異質結構的穩定性測試圖。 g)為1000個循環前後的MoS2/CoS2異質結構的極化曲線，h)為MoS2/CoS2異質結構在100至200 mV的各種超電勢下的奈奎斯特圖。 I)為 MoS2/CoS2異質結構，MoS2納米片和CoS2納米片的CV圖。


圖4.不同位置的H值的吉布斯自由能。DFT計算中使用的理論模型以及各種採用的吸附

H在模型表面上的位置，其中綠色，黃色，紫色和紅色球形分別表示Mo，S，Co和H。 a）1T-MoS2，b）CoS2，c）MoS2，d）MoS2/CoS2上的CoS2活性位點。e）在不同活性位點計算的HER的吉布斯自由能圖。

總的來說，通過硫化鉬酸鈷氧化物得到3D-1T MoS2/CoS2異質結構，這種異制結構具有更多的催化活性位點，同時CoS2和MoS2強相互作用促使MoS2從2H相過渡到1T相，大大增加了異質結的電子傳輸。因此3D-1TMoS2/CoS2在酸鹼溶液中都具有良好的催化性能。（文：李婧）


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