钼、钴基硫族复合材料的制备及其电催化性能的研究

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本论文的研究内容为电催化材料,涉及到染料敏化太阳能电池(DSSC)的对电极(CE)和电解水制氢的析氢电极,包括电极材料的制备、表征,以及相应的电催化性能的研究。我们制备了两种复合材料:在柔性石墨纸基底上制备的MoS2/S掺杂碳球薄膜(S-doped carbon sphere)和具有三维包覆结构的MoS2/Co S2纳米阵列,并将MoS2/S-doped carbon sphere薄膜作为DSSC的对电极,将MoS2/Co S2纳米阵列作为电解水制氢的析氢电极,分别研究了它们的电催化性能。(1)MoS2/S-doped carbon sphere薄膜的制备及其电催化性能的研究:通过简单的化学气相沉积法,在柔性的石墨纸基材上硫化五氯化钼-碳球前驱体来合成MoS2/S-doped carbon sphere纳米复合材料。硫掺杂可以提高碳球对三碘化物还原的电催化活性。此外,复合材料中MoS2和S掺杂的碳球之间存在“桥联”作用,由于二者的协同效应,MoS2的微观结构受到很大影响,从而暴露出了更多的晶面边缘,产生了大量的晶格缺陷。此外,碳球添加剂显著提高了MoS2/S-doped carbon sphere复合材料的导电性。实验结果表明,使用MoS2/S-doped carbon sphere复合材料作为对电极的DSSC得到了7.72%的光电转换效率,优于使用纯MoS2(6.73%)和Pt/FTO(6.74%)作为对电极的DSSCs。(2)MoS2/CoS2纳米阵列的制备及其电催化性能的研究:我们在碳纤维纸(CFP)基底上原位制备了一种由针状的Co S2纳米阵列和直立生长在其表面的MoS2纳米片构成的MoS2/Co S2复合材料,这种材料具有特殊的三维结构。由于它独特的结构,材料中产生了大量的、具有高催化活性的MoS2/Co S2异质界面区域。相关的结果证明,MoS2/Co S2复合材料中电子从Co S2的一侧转移到了MoS2的一侧,导致在MoS2/Co S2异质界面上形成局部亲电子区域和局部亲质子区域。因此,氢原子可以“智能地”吸附在亲质子的MoS2上,并且氢氧根可以吸附在亲电子的Co S2上。这种相互作用可以促进O-H键的断裂,从而促进水分子的解离和氢气的产出。此外,大量暴露的MoS2晶面边缘,也提高了材料的催化性能。由于材料具备的3D结构和MoS2/Co S2异质结的欧姆特性,电子在材料中的传输也得到了促进。因此,MoS2/Co S2纳米阵列在全p H范围内都表现出了优异的HER性能。当电流密度为10 m A cm-2时,MoS2/Co S2纳米阵列在1 M KOH、1 M磷酸盐缓冲溶液(PBS,p H=7)和0.5 M H2SO4溶液中的过电位分别是97 m V、126 m V和196 m V,相应的Tafel斜率分别为78.7 m V dec-1、77.5 m V dec-1和42.6 mV dec-1
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