【催化】纳米多孔镍和石墨烯双修饰的二硫化钼：一种有效的析氢反应催化剂的设计

‍‍‍

电化学分解水产氢（HER）可以充分利用二次能源实现高纯度H2的制备，而催化剂的选择是关键。在众多催化材料中，二硫化钼（MoS2）具有独特的结构特征和适宜的吸氢自由能，受到了研究者的广泛关注。但其性能与铂基材料仍无法比拟，主要原因在于：（1）MoS2活性位点少；（2）MoS2导电性差。因此，如何提高MoS2的催化活性仍然是一个巨大的挑战。研究者为此开展了大量的工作，如通过调控MoS2的结构和形貌来增加其活性位点；通过掺杂或制造硫空位来活化惰性的MoS2表面；通过与高导电纳米材料复合来提高导电性等。这些工作对提高MoS2催化活性做出了很大的贡献，但同时也增加了制备成本，催化性能还有待进一步提高，从而限制了MoS2的大规模应用。

吉林大学杨春城教授、蒋庆教授团队采用计算机模拟与实验相结合的方法，设计开发了一种高效、稳定、低成本的纳米多孔镍和石墨烯修饰的MoS2复合材料（NPNi-MoS2/RGO）作为HER催化剂。他们通过密度泛函理论计算发现，Ni原子吸附在MoS2边缘可使吸氢自由能接近最优值。MoS2与石墨烯形成异质结构，吸氢自由能更接近最优值，进一步提高了HER活性（图1）。此外，MoS2/石墨烯双层异质结构的能隙接近于0（0.07 eV），表明异质结构有利于电子的传输。

图1. 平衡电位（U = 0 V）下氢吸附自由能图，包括Ni原子在MoS2不同位置（Ni@S桥位、Ni@S顶位和Ni@Mo顶位）的吸附结构和上述体系中H原子的吸附结构。实线和虚线分别表示Ni-MoS2和Ni-MoS2/结构的反应路径。蓝色、黄色、青色、灰色和白色球分别代表Mo、S、Ni、C和H原子。相应数据是在标准条件下（H2 1 bar，pH=0，T=300 K）获得的。

他们基于理论设计，通过水热法和热处理制备了NPNi-MoS2/RGO复合材料，并进行了结构表征和电化学性能测试。发现该复合材料具有非常小的起始电位约85 mV，Tafel斜率71.3 mV•dec-1，同时还表现出良好的循环稳定性（图2）。上述性能的提升主要来自于NPNi、RGO和MoS2的协同作用，使得复合材料具有更多的离子/电子扩散通道、更多的活性位点，从而具有更高的催化活性。本工作中的计算机模拟辅助催化剂设计和双重改性策略也可以推广到其他领域，用于高效低成本催化剂的设计和研发。

图2. HER性能：（a）纯GCE、Pt/C、RGO、MoS2、MoS2/RGO、NPNi-MoS2和NPNi-MoS2/RGO复合材料的极化曲线；（b）Pt/C、MoS2、MoS2/RGO、NPNi-MoS2和NPNi-MoS2/RGO复合材料的塔菲尔图；（c）NPNi-MoS2/RGO复合材料在初始阶段和20,000次CV循环后的极化曲线对比；（d）在-0.19V恒压（相对于可逆氢电极）下连续测试30,000s的NPNi-MoS2/RGO复合材料的时间-电流密度关系曲线（插图为30,000s长循环测试后NPNi-MoS2/RGO复合材料的TEM成像）。

该成果近日发表在ACS上，文章第一作者为吉林大学博士生陈立新和陈志文。

论文作者为：陈立新、陈宇、王阳和蒋庆

原文（扫描或长按二维码识别后直达原文页面）：

双 MoS2 与 Ni 的

ACS Catal.，2018，8，8107，DOI：10.1021/。

导师介绍

杨春成

江青

本文版权归X-MOL（）所有，未经允许，严禁任何转载！欢迎读者朋友圈或者微博分享！