Small:氧磷共掺杂显著提高二硫化钼纳米片的电催化析氢性能

能源危机与传统化石燃料燃烧带来的环境问题是当前人类社会亟需解决的难题。利用可再生能源(太阳能、风能、潮汐能等)产生的电来电解水制备氢气可以从根源上同时解决上述问题。二硫化钼纳米片作为一种典型的电催化析氢反应(HER)催化剂得到了大量的研究和关注。然而,二硫化钼纳米片目前仍然存在导电性较差,纳米片易团聚堆叠从而减少其催化活性位点数目等缺点。

基于此,剑桥大学刘金龙博士、南京信息工程大学朱冬冬教授和合作者利用NaH2PO2辅助一步水热法成功制备氧磷共掺杂的二硫化钼纳米片。研究发现,与氧掺杂二硫化钼纳米片(O-MoS2)相比,氧磷共掺杂的二硫化钼纳米片(O,P-MoS2)中存在着大量的磷氧键。磷氧键的存在具有以下的优势:1)磷氧键将二硫化钼纳米片连接为连续的网络结构,这有利于电子的快速传输;2)磷氧键抑制了二硫化钼纳米片的团聚和堆叠,因此可以暴露更多的催化活性位点。除了活性位点数目的增加,氧磷共掺杂也显著提高了二硫化钼单个活性位点的本征活性;3)磷氧键的存在使得二硫化钼纳米片的结构更加稳定,从而使得O,P-MoS2具有优异的循环性能。由于磷氧键的形成及氧磷共掺杂的协同效应,与O-MoS2相比,O,P-MoS2具有更好的电催化产氢性能。具体而言,O,P-MoS2在酸性环境下具有较低的起始过电势(150 mV),较小的塔菲尔斜率(53 mV dec−1)和优异的循环性能(5000圈)。

该研究工作为提高二硫化钼电催化产氢性能提供了新思路。相关工作以“Structure Engineering of MoS2 via Simultaneous Oxygen and Phosphorus Incorporation for Improved Hydrogen Evolution”为题,在线发表在Small上(DOI: 10.1002/smll.201905738)