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JACS:1T’相ReS2xSe2(1-x)(x=0-1)纳米点的制备、及其高效电催化氢析

嘉峪检测网        2018-07-05 09:14

【引言】

 

氢气虽然是清洁能,但是可靠的析氢反应(HER)需要稳定、高效的催化剂。析氢反应(HER)的高效电催化剂的合理设计和合成,对于实现可持续的氢经济至关重要。近年来,人们致力于探索具有低过电位和高水分解效率的电催化剂,发现MoS2等分层过渡金属二硫族化合物(TMD)纳米材料具有替代商业铂基的催化剂的潜能。最近,在2H-相TMD纳米材料的边缘发现了电催化HER的活性位点,因此TMD纳米材料的小尺寸可以暴露更多活性位点。另外,TMD纳米材料的晶体结构也能促进其催化活性。在此基础上,本文通过结合化学气相传输(CVT)和化学嵌入Li的方法,发现了一种新1T'相ReS2xSe2(1-x)(x=0-1)纳米点催化剂,具有最高的析氢活性,适用于大规模生产。

 

【成果简介】

 

近日,新加坡南洋理工大学的张华新加坡科技研究局Yonghua Du(共同通讯)作者等人,结合化学气相传输和Li插层,制备了一系列1T'相ReS2xSe2(1-x)(x=0-1)纳米点,可以在酸性介质中实现高性能HER。其中,1T'相ReSSe纳米点,表现出最高的析氢活性,Tafel斜率为50.1 mV dec-1,在10 mA cm-2的电流密度下,具有84 mV的低过电位。原因是高度不对称的1T'晶体结构中,不对称S空位导致活性位点具有最佳氢吸收能量。相关成果以“Preparation of 1T′-Phase ReS2xSe2(1-x)(x=0-1) Nanodots for Highly Efficient Electrocatalytic Hydrogen Evolution Reaction”为题发表在Journal of the American Chemical Society上。

 

【图文导读】

 

图 1 ReSSe ND的合成过程和表征图

 

 

JACS:1T’相ReS2xSe2(1-x)(x=0-1)纳米点的制备、及其高效电催化氢析

 

(a)ReESe模拟结构和ReESe ND合成过程示意图;

(b)ReSSe ND的低倍TEM图像(插图:ReSSe ND的尺寸分布);

(c)ReSSe ND的HRTEM图像。;

(d)单个ReSSe ND的HRTEM图像;

(e)单个ReSSe纳米点的HAADF-STEM图像;

(f)ReSSe ND的EDS谱图;

(g)ReESe ND稀释溶液的紫外可见光谱(插入:ReSeND溶液的光学照片);

(h)ReSSe ND的AFM图像;

(i)AFM图中110 ReSSe ND高度统计图。

 

图 2 ReSSe晶体和NDs的XPS和XANES谱图

JACS:1T’相ReS2xSe2(1-x)(x=0-1)纳米点的制备、及其高效电催化氢析

 

(a)ReSSe晶体和NDs中,Re 4f的XPS谱图;

(b)ReSSe晶体和NDs中,S 2p和Se 3p的XPS谱图;

(c)ReSSe晶体和NDs的XANES谱图;

(d)ReSSe晶体和ND的Re L3-边缘,EXAFS光谱的傅立叶变换k3加权χ(k)函数图。

 

图 3 ReSSe ND的电催化HER性能图

JACS:1T’相ReS2xSe2(1-x)(x=0-1)纳米点的制备、及其高效电催化氢析

 

(a)在0.5 M H2SO4水溶液中,Pt/C,ReSSe块体和ReS2,ReSSe和ReSe2 ND的极化曲线图;

(b)是(a)中催化剂的Tafel斜率图;

(c)ReSSe块体,ReS2 NDs,ReSSe NDs,ReSe2 NDs的Nyquist图(插图:(左下)对应的拟合等效电路,(右上)用红色虚线正方形表示的区域的放大图);

(d)在0.5 M H2SO4水溶液中,ReSSe ND的20000次电势循环前后的极化曲线对比图。

 

图 4 ReS2,ReS2和ReESe中,不同类型S/Se空位的理论计算结果

JACS:1T’相ReS2xSe2(1-x)(x=0-1)纳米点的制备、及其高效电催化氢析

 

(a)用ReS2边缘,ReSe2边缘,ReSSe边缘,ReS2 LS-V,ReSe2 LSe-V和ReSSe LS-V结合的H原子的示意图;

(b)1T'-ReS2,1T'-ReSe2和1T'-ReSSe NDs边缘位点和空位点的计算自由能(ΔGH*)与HER的反应位点关系图。

【小结】

 

本文采用CVT与化学Li嵌入相结的方法,采用ReS2,ReS1.8Se0.2,ReS1粉末,制备超小的1T'-ReS2xSe21-x ND。微调ReS2xSe21-x块状晶体的化学组成,获得具有高密度活性边缘位点和活性低位点S空位的1T'-ReSSe ND,其能够增强HER的电催化活性。在10 mA cm-2的电流密度下,ReSe2NDs具有低过电位84 mV,Tafel斜率为50.1 mV dec-1,并具有出色的长期耐用性。这项工作可能为原子水平上,合理设计和合成具有不对称结构的高效1T'相TMD催化剂,开辟了一条新途径。

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来源:材料人