二硫化钼基纳米材料的制备及电催化析氢性能研究

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氢能作为一种无毒、热值高、燃烧产物零污染、来源充足的可持续再生性能源,是替代传统的化石能源,解决日益严峻的温室效应、能源危机和环境污染的重要候选能源之一。电解水制氢是获取氢能的有效途径,但当前商业析氢催化剂仍是以贵金属Pt基催化剂为主,故而电催化制氢会受到贵金属的稀缺性、成本高昂和不可再生性的所限制,无法得到广泛的应用。因此,设计和开发廉价、高效的非贵金属电催化剂,实现大规模的应用,一直都是研究者们迫切要解决的问题。二硫化钼(Mo S2)作为一种典型的过渡金属二硫族化合物(TMDs),由于其活性表面积大、可调控性高、储量丰富、价格低廉等优点,近年来备受研究者关注。本论文根据Mo S2的催化机理,采用不同的策略对提高其析氢催化性能做了一系列研究。具体研究内容如下所述:(1)采用简便的一步水热法,通过调控钼源和硫源的用量比,合成出两种不同形貌的Mo S2纳米结构:独立、无堆垛的纳米级球花状Mo S2(SNF-Mo S2),另一种为富含缺陷的纳米片状Mo S2(RNS-Mo S2)。拉曼(Raman)和X射线光电子能谱(XPS)分析结果表明,所制得的Mo S2样品均是含有金属1T相和半导体2H相的混合相纳米材料。两者均表现出更为优秀的电催化析氢以及超级电容器性能,这是由于1T相部分能够显著提高材料的导电性。此外,我们通过简单的物理掺杂在催化剂中引入了少量炭黑,以分析导电性对这两种类型的纳米结构催化作用的影响,并进一步提高催化剂性能。SNF-Mo S2/C和RNS-Mo S2/C样品在10 m A cm-2的电流密度下,过电位分别为220 m V和203 m V,Tafel斜率分别为65.7 m V dec-1和53.7 m V dec-1,而且两种样品均具备优异的循环稳定性,在CV循环5000圈后,电催化性能基本未发生衰减。此外,在1A g-1的电流密度下,SNF-Mo S2和RNS-Mo S2的放电比电容分别为165.1 F g-1和242.3 F g-1。(2)为了克服Mo S2的自团聚以及导电性较差的问题,我们选用了ZIF-67衍生的Co P材料为衬底,通过水热法将Mo S2纳米片原位复合在Co P衬底上,成功地制备出了一系列中空核壳结构的Co P@Mo S2复合材料。复合材料集合了两种组分的优势,包括Co P衬底良好的导电性以及Mo S2大的活性表面积等。且XPS分析结果表明,两种组分之间发生了由Co P衬底向Mo S2的电子转移,这会对表面Mo S2的催化位点活性具有调控作用。电催化测试结果表明,在酸性环境中,复合材料表现出了优异的电催化析氢性能,尤其是Co P@Mo S2-75样品:在10 m A cm-2的电流密度下,其过电位仅为119 m V,Tafel斜率为49 m V dec-1,且具有更大的双电层电容(Cdl)10.28 m F cm-2。Co P和Mo S2之间的这种协同作用为调控Mo S2催化位点活性、提高材料的催化性能做出了重要贡献。
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