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图 单原子级分散的Pt/1T′相二硫化钼(s-Pt/1T′-MoS2)的结构以及电催化析氢性能表征。(a-c)s-Pt/1T′-MoS2的透射电子显微镜图像(a)、能量色散X射线谱元素分布图像(b)和扫描透射电子显微镜高角环形暗场像(c)。(d,e)s-Pt/1T′-MoS2和商用HiSPEC 9100 Pt/C催化剂按照几何面积归一化的电流密度(d)和按照Pt质量归一化的电流密度(e)。(f)s-Pt/1T′-MoS2和商用HiSPEC 9100 Pt/C催化剂在−50 mV过电位下的质量活性及其与文献报道催化剂的对比。(g)在指数坐标下,s-Pt/1T′-MoS2在3个不同浮动电极(E1, E3, E5)上按照Pt质量归一化的电流密度以及拟合结果。(h)在指数坐标下,商用HiSPEC 9100 Pt/C催化剂在3个不同浮动电极(E2, E4, E6)上按照Pt质量归一化的电流密度以及拟合结果。(i)s-Pt/1T′-MoS2和商用HiSPEC 9100 Pt/C催化剂按照Pt质量归一化的交换电流密度及其与文献报道催化剂的对比。注:图(f)和(i)中的参考文献编号为原文中的参考文献编号。Copyright © 2023 Springer Nature.
在国家自然科学基金项目(批准号:52131301)等资助下,香港城市大学深圳研究院张华教授课题组制备了具有高纯度1T′相的过渡金属二硫化物(Transition Metal Dichalcogenide, TMD)纳米片载体,研究了贵金属Pt在TMD载体上的晶相依赖生长规律。该课题组制备出的1T′-TMD基Pt电催化剂具有优异的电催化析氢活性,高于之前报道的Pt基催化剂,并表现出优异的电催化水分解性能,具有极大的工业化应用潜力。研究成果以“铂在二硫化钼上的晶相依赖生长以实现高效产氢(Phase-dependent growth of Pt on MoS2 for highly efficient H2 evolution)”为题,于2023年9月14日在《自然》(Nature)杂志上发表。论文链接:https://www.nature.com/articles/s41586-023-06339-3。
氢气是一种理想的可再生能源载体,电催化析氢反应能够清洁、高效地制备氢气,是未来制备绿氢的重要方式,并有助于国家实现碳达峰、碳中和的目标。合理设计并制备合适的载体是开发高效稳定的催化剂、实现电催化析氢大规模应用的关键。非常规1T′相TMD纳米片因其良好的导电性以及电催化活性,具备作为理想催化剂载体的潜力。然而,制备高纯度、高质量的1T′相TMD纳米片长久以来都存在挑战;此外,利用非常规相TMD纳米片载体的晶相调控其它材料生长的研究,目前仍处于摸索阶段。
针对以上两个难题,他们首先开发了一种制备高纯1T′-TMD纳米片的新方法,该方法可制备出厚度均匀(1.4±0.4 nm)、横向尺寸为微米尺度的1T′-MoS2纳米片。作为对比样,他们还制备了厚度、尺寸相似的 2H-MoS2纳米片。在此基础上,通过光化学还原方法,他们在上述不同晶相的MoS2纳米片上生长了Pt。研究结果表明,使用2H-MoS2作为载体,有助于Pt纳米颗粒的外延生长;而使用1T′-MoS2作为载体,则能够使Pt维持单原子级(s-Pt)分散,其中Pt载量高达10.0 wt%(图1(a)-(c))。上述结果表明,载体的晶相是控制其它材料在其表面上生长的关键因素。
随后,该研究使用浮动电极(floating electrode)技术测试了所制备单原子级分散的Pt/1T′相二硫化钼(s-Pt/1T′-MoS2)材料的电催化析氢活性。研究结果表明,s-Pt/1T′-MoS2催化剂具有超过商用Pt/C催化剂的面积活性与质量活性(图1(d),(e))。在−50 mV过电位下,s-Pt/1T′-MoS2催化剂的质量活性(85±23 A mgPt−1)超过了之前所报道的Pt基催化剂(图1(f))。结合实验与理论模拟数据,他们发现s-Pt/1T′-MoS2催化剂表现出极高的交换电流密度(127 A mgPt−1,按照Pt质量归一化,如图1(g)-(i))。理论计算结果表明,s-Pt/1T′-MoS2催化剂中吸附在钼(Mo)原子上的Pt原子具有接近于0的氢吸附自由能,解释了该催化剂具有优异电催化析氢活性的成因。初步的探索实验表明,该催化剂能够在质子交换膜水电解槽中稳定工作500小时,展现出良好的工业化应用前景。
综上所述,该研究开发了一种制备1T′-TMD纳米片的新方法,详细探讨了贵金属在1T′-TMD和2H-TMD纳米片载体上的晶相依赖生长规律,并由此开发了一种高效、稳定的电催化析氢催化剂。该研究成果扩展了纳米材料相工程(Phase Engineering of Nanomaterials, PEN)这一研究领域,推动了高效、稳定催化剂的设计与开发,为清洁能源技术的快速发展开辟了新途径。