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Nature Materials: 二硫化铌作超高电流密度HER电催化剂

Nature Materials: 二硫化铌作超高电流密度HER电催化剂

Nature Materials: 二硫化铌作超高电流密度HER电催化剂

Nature Materials: 二硫化铌作超高电流密度HER电催化剂

研究背景

过渡金属硫化物(TMD)催化剂由于具有快速电荷转移能力,而具有较好的电催化性能。通过相变将2H转变为1T相可以提高TMD的电导率,从而显著改善其催化性能。此外,与铂等贵金属催化剂相比,原子级厚度的TMD由于其电子结构易受到局部电化学反应的强烈影响,导致催化剂电流密度仍不高。为实现催化性能的最大化,必须充分考虑催化剂厚度和TMD的金属性对电催化活性的影响

成果介绍

最近,罗格斯大学Manish Chhowalla,贝尔法斯特女王大学Elton J. G.Santos与韩国蔚山国立科学技术研究所Hu Young Jeong等多团队合作Ultrahigh-current-density niobium disulfide catalysts for hydrogen evolution为题在Nature Materials上发表论文。作者报道了一种2H-Nb1+xS2作高活性的HER催化剂,其在~420mV下,电流密度可达5000 mA cm-2。理论计算表明,2H-Nb1+xS2催化剂具有接近热中性的氢吸附自由能,更高的费米能级及导电性,从而提高了该催化剂的HER性能

图文导读

Nature Materials: 二硫化铌作超高电流密度HER电催化剂 图1 催化剂Nb1+xS2的晶体结构及结构表征

作者通过改变化学气相沉积(CVD)参数调控Nb1+xS2催化剂的合成。图1a为Nb1+xS2晶体的原子力显微镜图像。作者发现,Nb1+xS22H主要出现在厚度小于20 nm的晶体中,而3R相稳定存在于在较厚的样品中。高角环形暗场扫描透射电镜(STEM)图像清晰地显示了Nb1+xS22H相(图1b)和3R相(图1c)。结果表明,2H相的晶格间距与Nb1.35S2组分的理论值接近。

Nature Materials: 二硫化铌作超高电流密度HER电催化剂图2 HER性能

对于多层TMD,在催化过程中,电子必须克服层与层之间的范德华力才能到达表面活性位点,这增加了电荷转移电阻,因此催化活性被证明与TMDs中的层数成反比。

作者通过改变CVD参数,消除Nb1+xS2层间的作用力。对所合成的催化剂在0.5M H2SO4下进行测试,由图2可以清楚看出,2H-Nb1.35S2电流密度异常大,在~370 mV时达到1000 mA cm2在~420 mV时达到5000 mA cm2,说明2H-Nb1.35S2具有优异的HER活性。

2H-Nb1.35S2Tafel斜率仅为38 mV dec-1(经IR校正),表明其限速步骤为氢分子脱附过程TOF计算表明2H-Nb1.35S2的TOF在~280mV时超过了100s-1,优于此前报道的大多数催化剂。

Nature Materials: 二硫化铌作超高电流密度HER电催化剂图3 电化学性能测试

阻抗测量如图3a所示。可以看出2H-Nb1.35S2相角接近于零,表明其有着良好导电性。相比之下,3R-Nb1+xS2具有更高的电阻,其电催化活性受到扩散速率的限制。这与前述结果相一致,即3R相导电性较差

对电极进行电化学稳定性测试(图3b)。结果表明,经过10000次循环后,该催化剂仍显示出优异的稳定性。将催化剂应用于实际电解水,如图3c所示,测试在0.5 M H2SO4室温下进行。如图3d所示,其起始电位约为1.3 V,2.0 V时电流密度达到1000mA cm2

Nature Materials: 二硫化铌作超高电流密度HER电催化剂图4 DFT计算

为了解释2H-Nb1.35S2优异的催化性能,作者进行了密度泛函理论计算。众所周知,最理想HER催化剂必须满足ΔGH=0从图4a可以看出,在单层覆盖下,2H-Nb1.35S2中Nb端吸附氢的自由能接近热中性(~0.11 eV)(图4b)。而吸附氢在2H-Nb1.35S2位于S端时,其自由能为~ 1ev,因此可以说明氢更易吸附于Nb位点上。如图4c的电荷密度图所示,在催化剂表面,相对于3R-Nb1.35S22H-Nb1.35S2费米能级更高(图4ef),这说明2H-Nb1.35S2有着更高的导电性及电荷转移能力。

文献链接

Ultrahigh-current-density niobium disulfide catalysts for hydrogen evolution (Nat. Mater., 2019, DOI:10.1038/s41563-019-0463-8)

原文链接:

https://doi.org/10.1038/s41563-019-0463-8

供稿丨深圳市清新电源研究院

部门丨媒体信息中心科技情报部

撰稿人 | Stone

主编丨张哲旭


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