二硫化钼纳米结构的设计与电催化析氢性能研究

二硫化钼纳米结构的设计与电催化析氢性能研究化石燃料的过度使用加剧了空气污染和全球变暖。

因此,开发一种洁净、可再生的化石燃料替代品变得日益迫切。

在开发各种替代能源的战略研究中,建设以氢为主要载体的能源基础设施,提供廉价、清洁的能源成为未来人们努力的方向。

因为水是一种丰富可再生的氢源,电解水为可持续制氢提供了希望,为满足氢能的再生提供了技术支撑,然而,电解水的成本较高,限制了这项技术的工业化应用。

目前商用的制氢电催化剂主要是铂(Pt)等贵金属,而开发出由地球上丰富元素组成的高效电催化剂,将会显著降低电催化的成本。

近年来研究者们通过在纳米科学和纳米技术领域取得的突破,已开发了性能优异的非贵金属催化剂,并取得了丰硕的成果。

其中,二硫化钼材料是过渡金属硫化物中最具有代表性的一种催化剂,由于其独特的层状结构和电化学活性,在电催化水分解领域的应用已受到广泛关注。

然而,目前二硫化钼电催化剂仍存在一定的问题:(1)基面无活性,只有边缘具有电催化活性,需要增大活性表面积;(2)本征催化活性位点较少,需要引入更多的缺陷或其他活性位点;(3)导电性较差,需要促进界面电荷转移等。

针对这些缺点,本文主要探究水热法制备纳米二硫化钼电催化剂,通过与碳、氮材料复合进一步增大活性表面积、提高活性位点数目并增强二硫化钼的导电性,进而提升其电催化析氢性能。

主要研究内容如下:1.将四水合钼酸铵、硫代乙酰胺和烧制好的石墨相氮化碳(g-C3N4)一同分散在水中,在水热反应釜中进行高温高压反应,合成了
g-C3N4/MoS2复合催化剂,并对其形貌和电催化析氢性能进行了探究和表征。

MoS2和g-C3N4之间层状结构的相似性对电荷转移产生积极影响,促进了电催化析氢反应。

对比纯MoS2,g-C3N4/MoS2复合催化剂的纳米结构具有更高的电催化析氢性能,随着g-C3N4百分含量的增加,MoS2的电催化活性得到优化。

当g-C3N4含量为12.5 wt%时,电催化性能最优,在电流密度为-10 mA·cm-2时过电位仅268 mV,塔菲尔斜率为61.5 mV·dec-1。

继续添加g-C3N4的含量,析氢性能反而下降。

因此,添加适量的g-C3N4,可以提升二硫化钼的电催化活性,且具有良好的稳定性。

2.通过简单的水热法,制备了一种铵根插层的纳米二硫化钼电催化剂。

通过铵根插层后,二硫化钼的层间距增大,其催化活性位点密度增加,促进了电荷转移,并表现出优异的电催化析氢反应活性。

电化学测试结果表明,添加适量(3 mL)的氨水所合成的铵根插层MoS2具有优异的电催化析氢性能,在电流密度为-10 mA·cm-2处的过电位由纯MoS2的388 mV降低为278 mV,塔菲尔斜率也由118 mV·dec-1降低为62 mV.dec-1,电催化析氢性能明显提升。

此外,铵根插层也可以改善MoS2催化剂的电化学制氢稳定性。

3.通过简单烧结MoS2微球和双氰胺(DCDA)的表面碳化策略,成功地在MoS2表面修饰了微小的氮掺杂碳(NC)纳米颗粒。

在电催化析氢反应过程中,MoS2上NC的存在有利于电荷转移并加快反应速率,从而使催化剂比纯MoS2具有更低的过电位和更高的电流密度,且改善了长期电化学稳定性。

实验结果显示,当MoS2:DCDA质量比为1:1时,电催化活性达到最优,在电流密度为-10 mA.cm-2时的过电位为310.6 mV远小于纯的MoS2微球的384.6 mV,塔菲尔斜率由193 mV.dec-1降低为135 mV.dec-1。

除此之外,NC修饰的MoS2
电催化剂在酸性和碱性条件下均可发生电催化析氢反应,碱性条件下析氢性能更
好。