Advanced Science:一石二鸟——双增强Mo掺杂ReSe2纳米片的催化析氢性质研究

制备高效的析氢反应电催化剂是促进新能源经济可持续发展的关键。层状过渡金属硫族化合物(TMDs)是一大类典型的二维(2D)纳米材料。近年来,特殊的物理、化学和电学特性使其在催化和储能等方面取得了较大的进展。由于太阳能是一种可获得的清洁、可持续能源,以太阳能驱动的光催化和光电化学(PEC)水分解技术已成为国际材料科学研究的热点之一。二硒化铼(ReSe2)是一种具有独特性质的TMDs化合物,扭曲的1T相晶体结构和优异的光电性能保证了其较高的析氢活性和对可见光的快速响应。因此,ReSe2基电催化剂常与可见光结合以提高其催化析氢性能。虽然少层的ReSe2纳米片已被证明可以将光学特性和电催化应用集成在一起,并通过对光激发热电子加以利用提升其催化性能。然而,能够注入到ReSe2边缘活性位点的热电子数量仍然是十分有限的。这主要是由于:(1)电子-空穴的快速复合,热电子不能被有效地利用。(2)热电子的迁移率低,扩散长度短,进一步增加了注入的难度。(3)ReSe2的光学吸收大部分集中在可见光区,其在广谱太阳响应方面仍有一定的提升空间。这些因素严重制约了ReSe2的实际应用及进一步的发展。

针对上述问题,哈尔滨工业大学宋波教授课题组制备出钼掺杂的二硒化铼(Re1-xMoxSe2)纳米片,通过钼的适量掺杂(x = 0.06)达到催化活性和宽太阳光谱响应双重增强的效果,并对其在光增强电催化析氢反应(PE-HER)中的优异性能进行了详细的阐述。研究结果表明钼掺杂优化了ReSe2的电子结构,在增加催化活性位点浓度的同时提高了电导率促进电子的传递,显著提升了ReSe2纳米片的HER性能。在10 mA cm-2电流密度下,析氢过电位由239 mV下降至174 mV。此外钼原子的引入使得ReSe2半导体中形成中间能带,拓宽光谱吸收范围。同时,适当的钼掺杂增强了电子-空穴对在ReSe2中的俄歇复合,提高了热电子的寿命使得热电子能够有效地注入到催化活性位点。当在AM 1.5太阳光照射下,析氢过电位进一步下降至137 mV。最终,掺杂前后ReSe2的PE-HER过电位总共下降102 mV。研究者相信,此项工作将会为研究高效光增强析氢催化剂提供新的思路,相关结果发表在Advanced Science杂志上面(DOI: 10.1002/advs.202000216)。