北京师范大学化学学院
     
 
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马淑兰老师 J. Am. Chem. Soc. 文章介绍

发布时间: 2019-06-13  浏览次数:

MoS2/Co9S8/Ni3S2/Ni多级纳米组装材料高效宽pH范围全解水

近年来,传统化石燃料的大规模利用导致能源短缺、环境污染等诸多问题,因此开发清洁高效的新能源迫在眉睫。氢能作为一种洁净的可再生能源,具有热值高、燃烧产物为水等优点,是一种理想的传统化石能源的替代燃料。氢能可通过电解水(由析氢反应HER和析氧反应OER组成)直接获取,而HEROER过程均需要较高的过电位,需采用适宜的电催化剂来降低此过电位,以实现工业化应用。至今,以Pt, IrRu为代表的贵金属是性能最优的电解水制氢催化剂。但贵金属资源稀缺、价格昂贵,生产成本很高,限制其产业化。因此,探索高效稳定的电催化剂成为一项重要研究任务。

现有的催化剂通常只对一种反应(OERHER)具有较高的催化活性,因此电解水反应需要两种不同类型催化剂。这使得电解水设备更加复杂,运行成本增加。将不同功能的催化剂组装成一种复合材料,构筑一种双功能全解水催化剂,可有效解决上述问题。另外,目前报道的全解水大多在碱性条件下进行。与碱性相比,酸性条件电解水具有简单和电流密度更高的优点。但强酸和强碱条件对设备的要求高而且对环境有害,且从长远考虑,中性条件下电解水(如海水或河水)是更为理想的选择。因此,设计低成本、高效率适用宽pH范围兼具 HEROER催化活性的双功能电催化剂,是一项极具挑战性的工作。

MoS2具有较好的HER催化活性,且由于价廉易得受到研究者关注,但其OER催化性能欠佳;Co9S8具有优异的OER催化性能,但其HER性能有待提高。本工作设计合成了相互作用的MoS2Co9S8纳米片附着Ni3S2纳米棒阵列,该阵列负载于三维泡沫镍(NF)上形成多级共组装材料。该材料具有良好导电性,可直接用作电极。通过调节Co:Mo前驱体的摩尔比,得到形貌和组成可控的CoMoNiS-NF-xy复合材料(x:yCo:Mo摩尔比,为5:1~1:3)CoMoNiS-NF-31表现出最佳的电催化活性,在碱性、酸性和中性电解质中可在超低过电位(113, 103117 mV, HER)(166, 228405 mV, OER)下即达到10 mA cm-2的电流密度。基于CoMoNiS-NF-31优异的HEROER性能,组装了双电极电解槽并在宽pH范围内进行全解水,碱性、酸性和中性介质中,达10 mA cm-2电流密度的池电压为1.54, 1.45,1.80 V。理论计算表明,材料的高OER活性源于界面上Co9S8MoS2的电子转移,这改变了被吸附物质的结合能,从而降低过电位。该工作是金属硫化物在全pH下电催化全解水的首次报道,为高效低成本双功能电解水制氢催化剂的设计开发提供重要思路。

该研究成果由北京师范大学化学学院马淑兰教授与美国西北大学Mercouri G. Kanatzidis和美国阿贡国家实验室Peter Zapol教授合作,以“Hierarchical Nanoassembly of MoS2/Co9S8/Ni3S2/Ni as a Highly Efficient Wide-pH Range Electrocatalyst for Overall Water Splitting”为题,2019.06.06发表在美国化学会志J. Am. Chem. Soc. (DOI:10.1021/jacs.9b04492). 北京师范大学为第一完成单位,北京师范大学化学学院博士生杨燕为第一作者。

 


 
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