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幸运28:上海硅酸盐所在二维硫属化合物析氢催化研究方面取得进展

上海硅酸盐所在二维硫属化合物析氢催化研究方面取得进展

    氢气是一种高效、清洁的燃料,制取氢气有多种方法,其中电解水析氢不会产生温室气体,对环境无污染,是制氢的理想方式,但在析氢反应中需要使用高效催化剂。二维硫属化合物(TMDs)在理论上具有与商用Pt/C可比拟的催化活性,但是大部分TMDs面内惰性强,使得自身活性位点数量少,催化性能提升有限。针对面内惰性的问题,众多研究工作通过对TMDs构建边界、面内缺陷的手段,在费米能级处引入活性态,可有效提升TMDs催化析氢性能,但这些改性方法不能优化材料的氢吸附自由能(ΔGH*)到最优值0 eV,需要进一步借助外部机械力或者精密设计的基板材料来调控ΔGH*,复杂的制备工艺和苛刻的结构调控手段严重制约了TMDs析氢催化剂的进一步应用。

  近日,中国科学院上海硅酸盐研究所研究员王家成、刘建军与新加坡南洋理工大学教授刘政合作提出在自身具有金属-金属键的TMDs中仅引入空位就可通过金属-金属键自优化催化性能的新理念,相关成果发表在美国化学会旗下刊物ACS Nano上(DOI10.1021/acsnano.8b00693)。上海硅酸盐所助理研究员周遥、宋二红和南洋理工大学博士周家东为本论文共同第一作者,论文共同通讯作者为王家成、刘建军和刘政。

  该工作采用化学气相沉积法成功制备了具有金属空位的大面积单层ReS2,利用过量的含硫前驱体,在ReS2面内形成了金属空位。ReS2自身结构中具有金属-金属键,理论计算表明在金属空位的活化作用下,通过电荷补偿机制,对活性硫原子上的电子进行调控,使得整体材料的ΔGH*仅为0.016 eV,是目前二维材料中最接近理论最优值0 eV的材料。该材料在酸性条件下表现出优异的催化析氢性能,10 mA cm-2电流密度下的过电势仅为-147 mV (vs. RHE), 单位硫原子TOF值可达1-10 幸运28 s-11000个循环后仍能保持高催化活性,大幅度超越仅有空位修饰且无金属-金属键的TMDs

  王家成团队自2015年初即开展分解水制氢的研究工作,已取得系列研究结果,主要包括设计/制备具有高稳定的少层石墨层包覆的纳米Mo2CW2C析氢催化材料(Angew. Chem. Int. Ed., 2015, 54, 14723;J. Mater. Chem. A, 2016, 4, 8204);与刘建军合作,通过第一性原理计算表明Co, N共掺促进了WC/Co/NCNTs混杂材料中电荷转移,有效提高其析氢活性(Energy Storage Mater., 2017, 6, 104);利用衬底效应设计了一种超低Pt负载(仅为0.74 wt%)析氢催化剂,其酸性溶液中性能与商用20 wt% Pt/C幸运28相当(Mater. Today Energy, 2017, 6, 173)。

  以上研究工作得到了国家重点研发计划、国家自然科学基金、中科院百人计划、上海市科委等项目的资助。

  文章链接

 

  单层具有金属空位的二硫化铼用于HER催化 (a)电荷补偿机制;(b)大面积连续单层ReS2(c) ReS2面内Re空位;(d) LSV曲线;(e) TOF值;(f) HER催化性能比较