Small:可控多孔层级Ag/Ag₂S异质结构高效产氢

氢气由于其清洁、高效的优势,已经在交通、工业以等发多个重要领域成为了不可替代的燃料。特别是随着全球气候变化和环境污染的双重压力,氢能作为零污染的能源获得了重要的关注,是未来替代化石能源的最有力候选。因此,利用可再生能源开发高效稳定的电解水制氢技术成为了目前的研究热点。异质结构的界面设计能够有效优化材料表界面处的并电子结构并进一步调控氢吸附行为。此外,异质结构还能够提供大量的活性位点,在许多电化学能源转换和存储反应中发挥独特优势。然而,如何精准构筑异质结构的电催化剂则成为了目前设计高效电催化剂的关键挑战。

针对这一挑战,兰州大学唐瑜课题组和香港理工大学黄勃龙课题组通过实验合成与理论计算的紧密合作,实现了重要的成果。他们利用快速非平衡离子交换法实现了在Ag2S纳米棒上进行Ag纳米颗粒的生长。该异质结构丰富的缺陷和本征应力能够有效优化氢的吸附能,从而实现高效产氢。该工作为未来实现精准合成异质结构电催化剂提供了新的思路。

在本项工作中,研究团队基于非平衡离子交换策略合成了一系列不同Ag附着量的Ag/Ag2S多孔纳米异质结构。该合成方法通过控制初始合成溶液中Ag离子的含量能够有效控制催化剂中孔洞的大小与体积。通过实验对比实验发现,该异质结构中多孔的大小可以从5 nm到50 nm进行精准调控,从而暴露出更加多的活性位点并保证反应过程中高效的物质传输。通过电化学性能表征,发现相较于前驱体CoS,所有Ag/Ag2S异质结构体系都具有更优秀的HER性能。在酸性条件下,Ag/Ag2S-30仅需149 mV的过电位即可达到10 mA/cm2的HER电流密度。Ag/Ag2S催化体系能够在2000个CV循环后保持活性没有明显损失和至少30个小时的高效产氢。理论计算研究发现Ag/Ag2S表界面丰富的缺陷和本征应力能够提供高效的电子转移能力并降低氢的过吸附,是保证HER性能的关键。因此,该工作提供了一种快速精准的异质结构合成方法,并对结构-性能的关系实现了深入研究,对未来实现新型异质结构电催化剂的设计与合成提供了重要的参考。

论文信息:

Highly Controllable Hierarchically Porous Ag/Ag2S Heterostructure by Cation Exchange for Efficient Hydrogen Evolution

Huajie Xu, Xiaoxiao Niu, Zhuangzhuang Liu, Mingzi Sun, Zhaodi Liu, Zhimei Tian, Xiaoxia Wu, Bolong Huang*, Yu Tang*, Chun-Hua Yan*

Small

DOI: 10.1002/smll.202103064

原文链接:https://doi.org/10.1002/smll.202103064