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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12.5wt%时,电催化性能最优,在电流密度为-10mA·cm-2时过电位仅268mV,塔菲尔斜率为61.5mV·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(3mL)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-10mA·cm-2处的过电位由纯MoS2的388mV降低为278mV,塔菲尔斜率也由118
mV·dec-1降低为62mV.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-10mA.cm-2时的过电位为310.6mV远小于纯的MoS2微球的384.6mV,塔菲尔斜率由193mV.dec-1降低为135mV.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。
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