电催化制氢:超稳定的面内1T-2H 二硫化钼异质结构

电解水制氢是目前获得大量、高纯度可持续清洁能源—氢气的重要方法之一。加速电解水制氢电极反应过程以提升产氢效率的重要方法在于找到拥有较高导电性以及良好亲水性的高效催化剂。高导电性催化剂有利于电极反应过程中的电子传输,降低反应的起始电位;良好的亲水性可以降低电极材料-电解液接触界面的表面张力,使得电解液中的氢离子可以更容易的接触到电极表面的催化活性位点。

二硫化钼是一种典型的由S-Mo-S原子层堆垛而成的层状过渡金属硫化物,根据S原子层的不同排布方式,二硫化钼主要有三种相的存在形式:2H相,3R相以及1T相。其中,由于具备高导电性和良好的亲水性,1T相二硫化钼相较于2H和3R相的二硫化钼更适合作为电解水制氢的电极催化材料。但是,二硫化钼在自然界中主要存在于辉钼矿中,而自然存在的辉钼矿只有2H相和3R相两种相型。虽然当前已经有一些方法可以诱导2H相二硫化钼转变成1T相,从而得到1T相二硫化钼。但是,这些方法多数需要剧毒的反应源或苛刻的反应条件(如超临界等)来克服从2H相到1T相的相变壁垒。

北京航空航天大学材料科学与工程学院杨树斌老师课题组在红磷蒸汽和氩气的混合气氛中使用一步法制备了稳定的面内1T-2H二硫化钼异质结构。在高温烧结过程中,磷原子不仅可以进入到2H相块体二硫化钼的层间,还可以嵌入到其S-Mo-S原子面中,诱导P原子嵌入周围S原子面的滑移,从而得到面内1T-2H二硫化钼异质结构。测试表明,由于1T相的存在,面内1T-2H二硫化钼异质结构的导电率是原料2H相二硫化钼的五百多倍(8260 S m-1),并且在碱性电解液(1M KOH)中的塔菲尔斜率只有65 mV decade-1。并且,不同于亚稳态不能长久存储的1T相二硫化钼,面内1T-2H二硫化钼异质结构在室温条件下存储超过500天依然可以稳定存在。研究人员相信,此项研究发现的面内1T-2H二硫化钼异质结构的简易合成策略可以为获得更多种类多相过渡金属硫化物提供一种全新的思路,并且拓宽他们在能源存储与转化领域的应用。

相关论文在线发表在Advanced Energy Materials (DOI: 10.1002/aenm.201801345 )上。

Speak Your Mind