Small:氢刻蚀的双功能富硫缺陷ReS2/CC电催化剂用于高效水分解

能源危机和环境污染日益严重,迫切需要一种清洁可持续的能源-氢气(H2)来替代化学燃料,电解水制氢是一种很有前途的技术,因此探索和开发一种高效、稳定的电催化剂至关重要。二硫化铼(ReS2)作为一种新材料已经被学者关注,针对其独有的特点,如电子电导率各向异性行为,直接带隙可调(1.5~1.89 eV),并且由于铼原子存在一个额外的价电子使得层间拥有弱的范德华相互作用力,这使其提供优异的电化学性能成为可能。此外,晶体缺陷工程已经被证实是一种通过调控材料的电子结构和电导率来提高电化学性能的重要策略,缺陷位点可以影响周围电荷分布,增强电催化剂对水的吸附行为,暴露大量的活性位点,降低对氢的吸附自由能,增加电子转移速率,对催化剂的活性产生强烈的影响。

郑州大学的岳新政、易莎莎、刘仲毅等研究者使用水热法在碳布基底上合成了ReS2纳米片,并采用简单的、易于控制的方法进行处理,成功制造出富有硫缺陷的ReS2/CC电催化剂,这种催化剂表现出了突出的HER和OER电催化性能。在酸性和碱性介质中,最优催化剂Re/ReS2-7H/CC在电流密度等于10 mA cm−2条件下为HER提供42和44 mV的极低过电位,相应的Tafel斜率分别为36和53 mV decade−1,优于大多数报道的电催化剂。此外,对于OER,该催化剂在碱性条件下记录到一个较低的过电位为290 mV (10 mA cm−2), Tafel斜率为81 mV decade−1。特别地,在1 M KOH电解液中,Re/ReS2-7H/CC同时作为正极和负极的电解水装置中仅需1.30 V的小电压即可实现10 mA cm−2的电流密度。这种催化剂表现出超长耐久性,其电流密度效率在0.5 M H2SO4介质中经过100小时后保持为近100%。一系列表征测量和密度泛函理论(DFT)结果表明,引入硫缺陷的Re/ReS2-7H/CC不仅可以优化ΔGH*活性位点,也能增加反应活性位点和电荷转移速率,从而使电催化剂的HER和OER性能显著提高。

研究者相信,此项研究将会为利用缺陷工程策略构建各种多功能电催化剂提供有效指导,为电催化领域研究提供了新的思路。相关成果发表在Small(DOI: 10.1002/smll.202003007)上。