析氢反应电催化剂:水热法调控层间距制备的二硫化钼/氮掺杂的还原石墨烯纳米复合材料

随着人类社会对能源的需求越来越大,寻找并开发可持续且高效的清洁能源来代替有限的化石燃料已经引起了全球的关注。其中,氢气具有高的质量能量密度且其副产物只有水,是未来能源供给的最具有潜力的候选气体之一。电催化析氢反应(HER)是有效的制氢方法。但是,作为商业化的有效HER电催化剂—铂基催化剂成本高、稳定性差等因素限制了电解水制氢工业的发展。因此,如何合理设计和制备具有高效HER的电催化材料是一个有意义的研究课题。其中,硫化钼基材料作为HER电催化剂已有大量地报道。研究者们通过引入导电基底、增加缺陷、调节边缘活性位点等方法显著提高了硫化钼基材料的电催化活性,但其HER性质还远不及商业Pt/C。

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近期,南京师范大学兰亚乾课题组报道了一种层间距增大的MoS2/N-RGO纳米复合材料并对其用作析氢反应电催化剂进行了详细的研究。选用多酸(PMo12)作为前驱体提供钼源,多酸粒子通过静电相互作用可以均匀地分散在氧化石墨烯(GO)水溶液中。之后,加入硫脲提供硫源和氮源,同时由于多酸的氧化还原能力,PMo12可以和硫脲发生反应,在不同的水热温度下生成MoS2/N-RGO复合材料。我们发现通过简单地改变水热温度就可以调控MoS2的层间距大小:当温度大于以及等于200度时,MoS2的层间距为原始大小,即6.2 Å;当温度小于以及等于180度时,MoS2的层间距可以增大到9.5 Å。水热温度为180度制备的层间距增大的MoS2/N-RGO复合材料表现出优异的HER催化活性。其起始电位仅为 ~5 mV vs. RHE,Tafel斜率为41.3 mV dec-1以及具有超高的循环稳定性。突出地是,该材料的析氢性能超过了大部分已报道的基于MoS2的复合电催化剂,特别是它的起始电位几乎是所有已报道的基于MoS2的HER电催化剂中最小的。通过理论计算也进一步证明了层间距增大的MoS2具有更高的HER催化活性。

该工作成果不仅为提高硫化钼基复合材料的催化性能提供了新思路,也表明了多酸作为金属源在制备新型的储能材料方面具有潜在的价值。相关工作发表在Advanced Energy Materials (2016, 6, 201600116; DOI:10.1002/aenm.201600116)上