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電子科大CEJ：噴涂技術(shù)！實現(xiàn)在Cu膜上制備MoS2基電催化劑用于高效析氫反應(yīng)

社會對能源需求的不斷增長，刺激了對開發(fā)可持續(xù)和可再生能源的深入研究，以減少我們對化石燃料的依賴。氫氣是未來技術(shù)中最有前途的能源載體之一，然而氫氣的制備本身也面臨一些挑戰(zhàn)。通過析氫反應(yīng)(HER)制備氫氣的電解水被認(rèn)為是生產(chǎn)氫燃料的一種切實可行的方法。在HER中，通過降低電化學(xué)反應(yīng)的過電位和加速反應(yīng)速率來最大化電化學(xué)反應(yīng)效率的電催化劑被廣泛應(yīng)用。

盡管鉑等貴金屬對HER表現(xiàn)出較高的電活性，但貴金屬的高成本和稀缺性是其大規(guī)模和可持續(xù)應(yīng)用的嚴(yán)重障礙。因此，開發(fā)與鉑族金屬性能相當(dāng)?shù)牡统杀尽⒌厍騼α控S富的催化劑是目前催化領(lǐng)域最迫切的目標(biāo)之一。

基于此，托木斯克理工大學(xué)Raul D. Rodriguez和電子科技大學(xué)陳金菊(共同通訊)等人通過噴涂的方式制備了具有部分1T相和三維結(jié)構(gòu)的由Cu膜負(fù)載的MoS₂基電催化劑。

研究了MoS₂、MoS2/PVP和利用噴涂技術(shù)制備的MoS₂/PVP/RGO催化劑的HER性能。MoS₂/PVP催化劑的過電位(在10 mA cm^-2電流密度下)比純MoS₂催化劑要小得多，MoS₂/PVP/RGO催化劑的過電位則進一步降低。同時，Tafel斜率表現(xiàn)出相同的變化趨勢。這些結(jié)果表明，PVP和RGO的引入顯著提高了MoS₂納米結(jié)構(gòu)對HER的催化活性。

為了探究邊緣位置暴露對催化性能的影響，還利用噴涂技術(shù)設(shè)計并制備了一種三維空間結(jié)構(gòu)的催化劑。從光學(xué)圖像上可以明顯看出催化劑在平面方向上的不均勻分布。平面分布不均勻的催化劑比平面分布均勻的催化劑表現(xiàn)出更好的HER活性，其中Cu膜上的平面分布不均勻的MoS₂/PVP/RGO催化劑只需51 mV的過電位就能驅(qū)動10 mA cm^-2的電流密度，其Tafel斜率低至32 mV decl^-1，與Pt/C電極相當(dāng)。根據(jù)Tafel圖還可以得出負(fù)載在Cu膜上的MoS₂/PVP/RGO的HER交換電流密度(j₀)為0.267 mA cm^-2。

利用理論計算揭示了RGO在催化劑體系中的作用。Cu-MoS₂的帶隙約為2.61 eV，而Cu-RGO-MoS₂的帶隙消失，呈現(xiàn)出金屬性質(zhì)。進一步計算了DOS和pDOS，分析了不同組分之間的相互作用。從計算結(jié)果可以發(fā)現(xiàn)，RGO中的C原子將電子態(tài)引入到能帶中，導(dǎo)致Cu-RGO-MoS₂的帶隙消失。作為導(dǎo)體，Cu只對導(dǎo)帶的電子態(tài)做出貢獻，而不是向帶隙引入額外的能級。綜上所述，可以推斷在Cu載體和MoS₂催化劑之間引入RGO增強了導(dǎo)電性能，增強了Cu膜與邊緣位點之間的電子傳遞，顯著提高了電子的注入效率。

基于實驗和計算結(jié)果，催化劑優(yōu)異的性能可以歸因于：(1)納米級的MoS₂有助于提供豐富的活性位點，三維結(jié)構(gòu)有助于增加暴露的活性邊緣位點的密度；(2)MoS₂的2H相向1T相得轉(zhuǎn)變和源于MoS₂周圍RGO的電荷轉(zhuǎn)移電阻的降低，均有利于提升催化劑的HER動力學(xué)；(3)RGO中間層與MoS₂接觸的Cu膜允許電極向MoS₂有效的電子注入。這項工作為設(shè)計和制備具有良好HER活性的過渡金屬硫化物基電催化劑提供了一種簡便和可擴展的方法。

Inkjet-printed MoS₂-based 3D-structured electrocatalysts on Cu films for ultra-efficient hydrogen evolution reaction, Chemical Engineering Journal, 2023, DOI: 10.1016/j.cej.2023.141289.

https://doi.org/10.1016/j.cej.2023.141289.

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