Advanced Functional Materials:基于量子片(Quantum Sheet)界面工程的高性能碱性复合析氢电催化材料

电解水制氢是一种可大规模应用且可持续的高效无污染制氢(尤其是高纯氢)技术。第6族过渡金属硫属化物,如MoS2、WS2等在酸性介质中具有较好的析氢电催化性能,然而在碱性介质中的电催化析氢性能表现较差。造成这一现象的主要原因在于酸性和碱性介质中的氢来源不同。酸性介质中,H+可直接在催化剂表面位点进行吸附和还原,而在碱性介质中,必须首先实现水的解离(H2O—H++OH)才能进一步发生氢的吸附和还原。而水的解离需要跨越高的能垒,造成碱性析氢过程难度增加,速率变慢。

诸如掺杂、缺陷(如空位、晶界、孔洞等)及相工程等策略被广泛用来优化硫属材料的表面电子结构,但其碱性析氢性能还是不够理想。研究表明过渡金属氢氧化物(如Co(OH)2,Ni(OH)2等)具有较好的水解离性能,将其与酸性析氢电催化剂(如Pt,MoS2等)复合可实现协同电催化的效果,能大幅度提升材料在碱性条件下的析氢性能。然而由于复合电催化材料界面自身的复杂性和多样性,至今对界面结合方式对析氢电催化性能的影响依然存在争议,缺乏实验性证据。

针对上述问题,上海交通大学顾佳俊教授、宋钫副教授和南京理工大学杜永平教授等人基于碱性析氢电催化机理瓶颈认识,发展了针对硫属化物量子片(Quntum Sheet, 指平面尺寸在1~10nm的单层)材料的复合架构设计策略,实现了碱性条件下析氢电催化性能的大幅度提升。该研究选取了两种平面尺寸差别巨大的1T‒MoS2 QS(约6 nm)和1T‒MoS2 LS(Large Sheet, 约145 nm)纳米片作为基底材料,利用阴极电沉积Ni(OH)2制备获得1T‒MoS2 QS/Ni(OH)2和1T‒MoS2 LS/Ni(OH)2复合电催化材料。基底1T‒MoS2纳米片的平面尺寸的巨大差异意味着两者边缘不饱和位点占比的巨大差别(约为20:1)。电催化测试结果表明,两者析氢催化活性的差别主要来自基底片层结构的边缘不饱和位点数目的差别,结合理论计算他们进一步明确了边缘异质界面edge1T‒MoS2/ edgeNi(OH)2具有更高的碱性析氢电催化活性(水解离能垒(ΔGH2O, 0.02 eV)和氢吸附能(ΔGH, ‒0.15 eV),以及适中的氢氧根吸附能(ΔGOH, ‒2.72 eV))。值得注意的是富含边缘异质界面位点的1T‒MoS2 QS/Ni(OH)2在10 mA/cm2的析氢电流密度下,其过电位仅为57mV,塔菲尔斜率为30 mV/dec;在高电流密度下(>100 mA/cm2),其电催化活性甚至超过了Pt/C,并表现出良好的稳定性,在500 mA/cm2的电流密度下可持续工作100 h以上。

该研究结果在线发表于Advanced Functional Materials(DOI:10.1002/adfm.202000551),对于高性能的碱性析氢复合电催化材料的界面结构设计具有极大的指导和借鉴意义,有望应用于碱性电解水装置的规模化开发。

该研究得到了国家自然科学基金,国家青年高层次人才计划,国际科技合作重点项目,上海市科委基金和上海交大青年人才启动基金支持。