包信和院士团队Nano Energy：用于高性能析氢反应的三维分层MoS2/石墨
【介绍】
析氢反应（HER）涉及质子和电子转移到活性位点，然后进行氢的电子耦合吸附/解吸，因此催化性能很大程度上取决于传质、电子传导和催化剂的固有活性。 二硫化钼（MoS2）作为一种典型的二维过渡金属二硫化物，由于其边缘位点的高本征活性而被广泛认为是一种有前途的非贵金属催化剂。 然而，MoS2作为电催化剂存在电子电导率低的缺点。 此外，活性位点被认为是边缘 S 原子，但其数量有限，因为基面中的大多数 S 原子对 HER 仍然不活跃。 此外，由于纳米片之间普遍存在范德华引力，材料的团聚通常会掩盖边缘位置并降低催化活性。 改变二维MoS2的形貌和局部原子组成是提高电催化剂HER性能的有效方法。 与随机取向的MoS2纳米片相比，具有丰富通道和高比表面积的介孔MoS2泡沫显着提高了HER活性，这归因于促进的传质和增加了边缘位点的暴露。 将杂原子掺杂到二硫化钼晶格中可以调节局部电子结构并诱导基面的反应性。 然而，由于MoS2的电导率低和工程结构的稳定性低，通过形貌处理和杂原子掺杂来提高其性能仍然有限。
【成果介绍】
近日，在中国科学院大连化学物理研究所领导下，中国科学院大学包新和院士、中国科学院大连化学物理研究所邓德辉教授团队科学与厦门大学（共同通讯作者）与湖南大学、中科院上海应用物理研究所合作，报道了一种由MoS2和石墨烯组成的3D分级介孔杂化结构（3D-MoS2/ G) 作为有效的 HER 催化剂。 MoS2层均匀地连接到高导电石墨烯骨架上，并在通道内良好分散，暴露出丰富的边缘位点，大大提高了HER活性。 将Co原子掺杂到MoS2晶格中进一步提高了杂化结构（3D-Co-MoS2/G）的活性，其在0.溶液中的电流密度为-2时具有仅为143mV的低过电势。 与3D-Co-MoS2催化剂相比，3D-Co-MoS2/G表现出显着的稳定性，并且在超过5000次循环伏安（CV）扫描后仍保持活性。 这项工作为提高催化剂的活性和稳定性提供了一种有前途的策略。 相关成果以“Three-MoS2/ for high-”为题发表在Nano上。
【图文介绍】
图1 三维层状MoS2/G和Co-MoS2/G的形貌和原子结构
(ac) (a) 3D-MoS2/G 样品的 TEM 图像，(b) 具有 EDS 元素分布的 HAADF-STEM 图像，以及 (c) 原子分辨率 HAADF-STEM 图像。
(di) (d) SEM图像，(e) HAADF-STEM图像，(f) EDS元素分布图，(g) TEM图像，(h) HRTEM图像和(i) 3D-Co-MoS2/G的原子分辨率 HAADF-STEM 图像示例。 (c) 和 (i) 中的插图显示了 MoS2 中 Mo 空位和掺杂 Co 原子的示意图，以及相应的 TEM 模拟和线性强度分布。 黄色、青色和蓝色球体分别代表硫、钼和钴。
图2 三维Co-MoS2/G的电子和配位结构
(a,c) 一系列样品的 Mo 和 Co K 边缘的归一化 XANES 光谱。 插图显示了归一化后 k 空间变换的 EXAFS 谱。
(b,d) 分别是 Mo 和 Co K 边的 k3 加权 EXAFS 谱。
(e) 3D-Co (16.4%) MoS 2/G 催化剂的 Co 2p XPS 谱。
图3 三维Co-MoS2/石墨烯的HER性能
(a) 2D MoS2、3D MoS2、3D-Co-MoS2、3D-MoS2/G、3D-Co-MoS2/G 和商用 40 在 Ar 饱和 0. 条件下，25°C 下，扫描速率为 2mVs-1 HER %Pt/C 样品的极化曲线。 所有 HER 偏振曲线均未经红外校正。
(b) 2D MoS2、3D MoS2、3D-Co-MoS2、3D-MoS2/G 和 3D-Co(16.4%)-MoS2/G 在不同电流密度下的过电势比较。
(c) 3D MoS2、3D-MoS2/G、3D-Co(16.4%)-MoS2/G 和商用 40%Pt/C 催化 HER 的相应塔菲尔图。
(d) 3D-Co(16.4%)-MoS2/G 催化剂和无石墨烯催化剂的耐久性测量。
【概括】
综上所述，通过结构工程，形成了由MoS2和石墨烯组成的有序三维介孔复合结构，显着提高了MoS2的电化学析氢活性和稳定性。 该结构的层状且均匀的介孔结构有利于水和质子的质量传输。 石墨烯的引入不仅提高了MoS2的电子导电性，而且有利于MoS2的分散和更多边缘活性位点的暴露。 将Co原子掺杂到MoS2骨架中可以进一步提高3D-MoS2/G的HER活性。 3D-Co (16.4%) MoS2/G 的过电位为 143mV，电流密度为 -2，并在 5000 次 CV 扫描后保持稳定性。 该研究为通过多尺度结构工程设计用于HER的稳健MoS2电催化剂提供了有效的策略，也可以为其他能源催化过程提供有用的参考。
文献链接：三-MoS2/高-（Nano，2019，DOI：10.1016/j..2019.04.049）
本文由穆文涛编辑。
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