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3044永利:张树宇团队提出通过优先电子填充策略提升非晶硫化钼在大电流密度下的氢气析出反应催化活性

       氢气作为一种理想的能量载体,因其具有高能量密度、环境友好、可再生性等优势被广泛关注。根据国家发改委20223月发布的《氢能产业发展中长期规划(2021-2035)》,氢能是未来国家能源体系的重要组成部分,是用能终端实现绿色低碳转型的重要载体。氢能产业是战略性新兴产业和未来产业重点发展方向,能在工业、交通、储能等领域构建多元应用生态,对中国能源转型和双碳目标实现有重要意义。利用可再生能源(如太阳能、风能等)发出的电力通过电解水制取氢气是生产绿氢的重要方式。然而,目前氢气析出反应(HER)使用的催化剂主要是铂族贵金属,其成本与储量制约了电解水制氢的大规模应用。开发廉价而高效的HER催化剂是实现工业化电解水制氢的关键。

       近日,学院区琼荣教授、张树宇副研究员课题组提出了通过优先电子填充策略提升非晶硫化钼在大电流密度下的氢气析出反应催化活性,使用等离子体技术制备了非晶态硫化钼钨/氮掺杂还原氧化石墨烯催化剂材料(a-MoWSx/N-RGO)。2022725日(美国当地时间),相关研究成果以《钨掺杂引发的优先电子填充策略提升非晶硫化钼在大电流下的氢气析出反应催化活性》(“Boosting Hydrogen Evolution Reaction Activity of Amorphous Molybdenum Sulfide Under High Currents Via Preferential Electron Filling Induced by Tungsten Doping”)为题发表在《先进科学》(Advanced Science)。该研究为合理设计与制备高性能HER催化剂提供了新思路。

       近年来,二硫化钼(MoS2)基材料作为铂族贵金属HER催化剂的替代品吸引了科研工作者们的广泛关注,提升其催化活性,获得与铂具有相似催化性能的二硫化钼(MoS2)基催化材料是研究的热点。与晶态材料相比,非晶态材料往往具有更好的催化活性,但是其在大电流密度下的催化稳定性却亟待提升。等离子体技术是低维纳米材料制备与改性的有效工具,等离子体中的高活性粒子(电子、离子等)使其在常温下具有高化学反应活性。

       区琼荣教授、张树宇副研究员及其团队使用等离子体技术制备了非晶态硫化钼钨/氮掺杂还原氧化石墨烯纳米复合材料(a-MoWSx/N-RGO),结合透射电镜、X射线衍射分析,证明了硫化钼钨/氮掺杂还原氧化石墨烯为非晶态,并且硫化钼钨在石墨烯上均匀分布。

        研究发现,对于氩氨混合气氛等离子体,10分钟为最佳处理时间。通过调控非晶硫化钼钨的成分(钨掺杂含量),a-MoWSx/N-RGO的催化性能可以进一步提升。最优的a-MoWSx/N-RGO@1:1催化剂在0.5 M H2SO4中仅需要348 mV的过电位就可以达到1000 mA cm-2的电流密度,优于商用20 wt.% /碳(Pt/C)催化剂;并且a-MoWSx/N-RGO1000 mA cm-2的电流密度下稳定工作24小时活性没有衰减。

         DFT计算表明,大电流密度下额外注入的电子会优先填充在2S2-上,因此2S2-上的氢原子吸附自由能变(?GH*)在有额外电子注入的情况下能保持不偏离0 eV,这是a-MoWSx/N-RGO在大电流密度下具有高催化活性的根本原因。但是过度的钨掺杂会导致非晶团簇结构不稳定,因此控制钨掺杂浓度在合理水平至关重要。

        该研究提出了使用等离子体技术制备在大电流密度下能够高效且稳定催化氢气析出反应的非晶态硫化钼钨/氮掺杂还原氧化石墨烯纳米复合材料,并且揭示了其在大电流密度下具有高活性与高稳定性的机理,为合理设计与制备高性能HER催化剂提供了新思路。

        3044永利工程与应用技术研究院在读博士生张岱为本文第一作者,3044永利在读博士生王飞龙是该论文的共同第一作者,3044永利的区琼荣教授、张树宇副研究员为论文的通讯作者。该工作得到了国家自然科学基金(11975081)及上海市科委基金(21ZR1408800)支持。

原文链接:https://onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1002/advs.202202445

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