中科院等科學家合作在二維硫屬化合物析氫催化研究方面取得進展

氫氣是一種高效、清潔的燃料，製取氫氣有多種方法，其中電解水析氫不會產生溫室氣體，對環境無污染，是制氫的理想方式，但在析氫反應中需要使用高效催化劑。二維硫屬化合物（TMDs）在理論上具有與商用Pt/C可比擬的催化活性，但是大部分TMDs面內惰性強，使得自身活性位點數量少，催化性能提升有限。針對面內惰性的問題，眾多研究工作通過對TMDs構建邊界、面內缺陷的手段，在費米能級處引入活性態，可有效提升TMDs催化析氫性能，但這些改性方法不能優化材料的氫吸附自由能（ΔGH*）到最優值0 eV，需要進一步藉助外部機械力或者精密設計的基板材料來調控ΔGH*，複雜的製備工藝和苛刻的結構調控手段嚴重製約了TMDs析氫催化劑的進一步應用。

近日，中國科學院科學家團隊——上海硅酸鹽研究所研究員王家成、劉建軍與新加坡南洋理工大學教授劉政合作提出在自身具有金屬-金屬鍵的TMDs中僅引入空位就可通過金屬-金屬鍵自優化催化性能的新理念，相關成果發表在美國化學會旗下刊物ACS Nano上（DOI：10.1021/acsnano.8b00693）。上海硅酸鹽所助理研究員周遙、宋二紅和南洋理工大學博士周家東為本論文共同第一作者，論文共同通訊作者為王家成、劉建軍和劉政。

該工作採用化學氣相沉積法成功製備了具有金屬空位的大面積單層ReS2，利用過量的含硫前驅體，在ReS2面內形成了金屬空位。ReS2自身結構中具有金屬-金屬鍵，理論計算表明在金屬空位的活化作用下，通過電荷補償機制，對活性硫原子上的電子進行調控，使得整體材料的ΔGH*僅為0.016 eV，是目前二維材料中最接近理論最優值0 eV的材料。該材料在酸性條件下表現出優異的催化析氫性能，10 mA cm-2電流密度下的過電勢僅為-147 mV (vs. RHE),單位硫原子TOF值可達1-10 s-1，1000個循環後仍能保持高催化活性，大幅度超越僅有空位修飾且無金屬-金屬鍵的TMDs。

王家成團隊自2015年初即開展分解水制氫的研究工作，已取得系列研究結果，主要包括設計/製備具有高穩定的少層石墨層包覆的納米Mo2C、W2C析氫催化材料（Angew. Chem. Int. Ed., 2015, 54, 14723；J. Mater. Chem. A, 2016, 4, 8204）；與劉建軍合作，通過第一性原理計算表明Co, N共摻促進了WC/Co/NCNTs混雜材料中電荷轉移，有效提高其析氫活性（Energy Storage Mater., 2017, 6, 104）；利用襯底效應設計了一種超低Pt負載（僅為0.74 wt%）析氫催化劑，其酸性溶液中性能與商用20 wt% Pt/C相當（Mater. Today Energy, 2017, 6, 173）。

以上研究工作得到了國家重點研發計劃、國家自然科學基金、中科院百人計劃、上海市科委等項目的資助。

單層具有金屬空位的二硫化錸用於HER催化(a)電荷補償機制；(b)大面積連續單層ReS2；(c) ReS2面內Re空位；(d) LSV曲線；(e) TOF值；(f) HER催化性能比較

（來源：中國科學院）

關注中國高科技（微信公眾號cas-hitech），參與新浪微博話題#中國高科技#，獲取更多科技前沿信息和高新科技項目

喜歡這篇文章嗎？立刻分享出去讓更多人知道吧！