生物基碳纳米纤维诱导生长少层MoSe2纳米片用于高效电催化产氢

氢气是一种清洁、环保、高效的新型能源。虽然通过电解水方法制备的氢气纯度高、环保且可再生,但是电催化产氢反应缓慢的动力学过程大大限制了其能量转换效率。为了解决电解水制氢高能耗的弊端,通常需要借助贵金属催化剂(如Pt、Pd等)来降低电催化反应的过电位。然而,这些催化剂成本高昂且储量稀少,大大限制了其工业化应用。近年来,过渡金属二硫属化物(TMD)纳米片的可控层状结构及其特殊的物理化学性能,使其成为电催化产氢的明星催化材料之一。然而,TMD材料在实际使用过程中仍存在如下问题:(1)多数TMD材料的电子迁移率和导电性较差,且在其成膜过程中高分子粘合剂的引入会进一步降低电极的导电性,进而使其电化学产氢效率大打折扣;(2)TMD材料在合成过程中易发生团聚,致使其比表面积和活性位点大幅降低。而且,在实验设计中TMD材料的导电性和活性位点数目往往呈现此消彼长的态势,很难同时得到提升,这也限制了TMD基电催化产氢材料的大规模应用。

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为了解决以上两个关键问题,东华大学材料学院刘天西教授课题组借助细菌纤维素基碳纳米纤维(CBC)独特的三维导电网络结构,实现了少层MoSe2纳米片的定向生长,成功构筑了CBC/MoSe2杂化材料,并将其用作电催化产氢材料。该工作以提升和优化MoSe2材料的导电性和活性位点数目为出发点,首先利用一步高温碳化法获得了导电性能优异的生物基碳纳米纤维模板,进而在高温水热条件下诱导MoSe2纳米片沿纤维径向定向生长,有效抑制了MoSe2在无模板条件下易团聚的现象。这种由一维纳米纤维诱导生成的MoSe2纳米片呈现薄层特性(5~8层),层间距为6.2 Å,这使得MoSe2纳米片能充分与电解液离子接触,显著提升了电催化产氢的有效活性位点数目。由于MoSe2和碳纳米纤维之间的协同效应,该杂化材料表现出优异的电催化产氢性能:析氢过电位仅为91 mV,Tafel斜率为55 mV dec-1,显著优于纯MoSe2块材(析氢过电位为:203 mV,Tafel斜率为105 mV dec-1)。而且,该杂化材料在循环1000圈后其电催化性能基本没有下降,表明其具有十分优异的循环稳定性。此外,作者借助第一性原理计算得到该类材料具有较低的活化位垒(0.08 eV),进一步从理论上揭示了其高效的电催化析氢机制。

该研究工作以生物基细菌纤维素碳纳米纤维为基底,采用简单的合成步骤成功抑制了MoSe2纳米片的团聚,达到了同时提升其导电性和活性位点数量的目的,为新型高效电催化析氢材料的设计和开发提供了新思路。相关论文已发表在Small (DOI: 10.1002/smll.201602866)上。

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