2017年11月18日
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夏兴华课题组在层状材料能带可控设计及其增强水催化分解领域取得进展

氢气是下一代清洁和可再生能源的最佳燃料。现有的制氢技术有化学催化裂解、光/电化学催化分解水等,其中电化学技术具有转化效率高、绿色等优点而被广泛采用。目前,贵金属铂是电催化分解水制氢的最佳催化剂,然而其价格昂贵且资源稀少,所以寻找高催化活性的非贵金属催化剂是当今该领域的研究热点。现有研究表明,二维层状二硫化钼(MoS2)材料被誉为潜在的析氢反应(HER)电催化剂。但未剥离的块状MoS2有着较差的电子传导性和很大的HER过电势。因此,如何提高MoS2材料对HER的电催化活性是当前的一个重要挑战。

南京大学化学化工学院夏兴华课题组潜心于层状仿生材料的设计和性能研究(NPG Asia Mater. 2017, 9, 354; J. Am. Chem. Soc. 2015, 137, 7365; Anal. Chem. 2015, 87, 5831; Nat. Commun. 2014, 5, 1)。他们提出了局域化表面等离子体共振(LSPR)增强电化学反应的新设想,通过Au纳米棒的LSPR效应将热电荷注入到MoS2导带,增加MoS2的电荷密度,使催化剂的能级与HER能级更加匹配,降低反应过电势(J. Am. Chem. Soc. 2015, 137, 7365)。受此工作启发,即增加MoS2的电荷密度有利于促进HER催化活性,近期他们利用溶剂热法合成出锌掺杂的片层二硫化钼纳米花结构(Zn-MoS2)(图1),通过过渡金属的掺杂来提高MoS2的电荷密度。该工作以Zn-MoS2材料作为设计模型,强调材料设计要同时兼顾热力学(能级匹配)和动力学(丰富的催化活性位点)两方面(图3)。锌元素的掺杂使得MoS2与反应底物能级更加匹配,提高了两者之间电子交换的可能性;另一方面,掺杂后的MoS2具有更多的HER催化活性位点和导电性,大大增加了电子传递到活性位点发生化学反应的概率。基于此设计,Zn-MoS2材料对HER催化过电位降低到130 mV,Tafel斜率为51 mV/dec,转换频率高达15.44 s-1,超过目前报道的大部分MoS2材料(图2)。该工作发表于《美国化学会志》(J. Am. Chem. Soc. 2017, DOI: 10.1021/jacs.7b08881),论文第一作者为16级博士生施毅同学。该工作得到国家自然科学基金面上项目(21327902, 21635004, 21675079)和国家重点研究发展规划项目(2017YFA0206500)等支持。

图1. Zn-MoS2片层材料的形貌表征

图2. Zn-MoS2片层材料的电化学表征

图3. 锌掺杂MoS2增强HER的机理探讨

(化学化工学院 科学技术处)