高分散超薄二硫化钼/硫、氮共掺碳复合材料的电催化析氢性能

doi:10.1016/S1872-2067(17)62830-4

催化学报 ›› 2017, Vol. 38 ›› Issue (6): 1028-1037.DOI: 10.1016/S1872-2067(17)62830-4

高分散超薄二硫化钼/硫、氮共掺碳复合材料的电催化析氢性能

滑世新^a, 曲丹^a,b,c, 安丽^a, 席广成^d, 陈戈^a, 李钒^a, 周志军^e, 孙再成^a

a. 北京工业大学环境与能源工程学院, 化学与化学工程系, 绿色催化与分离北京市重点实验室, 北京 100124;
b. 中国科学院长春光学精密机械与物理研究所, 发光学及应用国家重点实验室, 吉林长春 133033;
c. 中国科学院大学, 北京 100049;
d. 中国检验检疫科学研究院, 纳米材料与产品研究中心, 北京 100000;
e. 中国工程物理研究院核物理与化学研究所, 四川绵阳 621000

收稿日期:2017-02-14 修回日期:2017-03-18 出版日期:2017-06-18 发布日期:2017-06-08
通讯作者: 孙再成
基金资助:
国家自然科学基金（21671011）；北京市高层次人才计划

Highly dispersed few-layer MoS₂nanosheets on S, N co-doped carbon for electrocatalytic H₂ production

Shixin Hua^a, Dan Qu^a,b,c, Li An^a, Guangcheng Xi^d, Ge Chen^a, Fan Li^a, Zhijun Zhou^e, Zaicheng Sun^a

a. Beijing Key Laboratory of Green Catalysis and Separation, College of Environmental and Energy Engineering, Beijing University of Technology, Chaoyang Distrcti, Beijing 100124, China;
b. State Key Laboratory of Luminescence and Applications, Changchun Institute of Optics, Fine Mechanics, and Physics, Chinese Academy of Sciences, Changchun 130033, Jilin, China;
c. University of Chinese Academy of Sciences, Beijing 100049, China;
d. Nanomaterials and Nanoproducts Research Center, Chinese Academy of Inspection and Quarantine, Beijing 100000, China;
e. Institute of Nuclear Physics and Chemistry, China Academy of Engineering Physics, Mianyang 621000, Sichuan, China

Received:2017-02-14 Revised:2017-03-18 Online:2017-06-18 Published:2017-06-08
Supported by:
This work is supported by the National Natural Science Foundation of China (21671011) and Beijing High-Level Talent program

摘要/Abstract

摘要：

氢气是一种清洁可再生能源，有望在未来替代化石燃料成为最主要的能源物质. 电催化析氢技术是最有效的产氢途径之一. 目前，电催化析氢催化剂主要是贵金属铂，由于其昂贵的价格限制了它的大规模应用. 所以在不减少催化剂活性的前提下尽量减少贵金属的使用或者寻找替代物质，降低成本是工业化大规模使用析氢反应（HER）催化剂的前提. 二硫化钼基催化剂因其价格低廉、资源丰富且具有优异的催化析氢性能而引起研究者的广泛关注. 实验和理论研究都证明了二硫化钼的催化性能和其催化活性位点有关. 所以，开发一种具有丰富的活性位点、良好的导电性的二硫化钼基催化剂可以获得高的产氢性能和良好的稳定性. 因此，对于提高MoS₂的电催化析氢性能的研究主要集中于增加MoS₂暴露活性位点的个数和导电性. 然而，二硫化钼层与层之间的相互作用可能导致其发生聚集，较低的导电率都有可能降低它的电催化活性.
我们通过水热的方法直接制备出了固体的硫、氮共掺杂的、具有石墨化结构的碳复合材料（SNC）. 将钼酸钠加入到反应中后，多钼酸盐通过化学交互作用均匀地嵌入、分散到SNC中. 经高温处理后，SNC放出S^2-，多钼酸盐结合S^2-生成二硫化钼. SNC有效地防止了二硫化钼聚集成大的颗粒. 我们成功地制备出具有较好析氢性能的、高度分散于SNC中的二硫化钼纳米片. 通过透射电子显微镜（TEM）、扫描电子显微镜（SEM）、X射线衍射（XRD）、拉曼光谱（Raman）、元素分析、X射线光电子能谱（XPS）等测试手段对材料进行了表征，通过电催化析氢、电化学阻抗以及稳定性测试等手段研究了其电催化性能.
由MoS₂/SNC-900-12h的TEM图片可以看出，二硫化钼纳米片高度分散于碳复合材料中，且层数只有一到几层，暴露出了更多的催化活性位点. 拉曼光谱图的D带（1341 cm^-1）和G带（1584 cm^-1）体现出了材料具有较好的石墨化结构，提高了材料的导电性. XPS C 1s谱图中存在C-S和C-N键，S 2p谱图中存在C-S-C、C=S和C-SO_x-C键，N 1s谱图中存在吡啶氮和石墨氮，结合元素分析，说明该碳材料确为硫氮共掺杂的碳；Mo谱测试显示出Mo 3d_5/2 （229.4 eV）和Mo 3d_3/2 （232.6 eV），证明了二硫化钼成功地嵌入到了碳材料中. 电化学性能表征显示MoS₂/SNC-900-12h在H₂SO₄溶液（0.5 mol/L）中展现出较低的起始电位（115 mV）以及低的过电位（237 mV）. 电化学阻抗测试显示在H₂SO₄溶液（0.5 mol/L）中过电位为-0.2 V （vs. RHE）时R_ct只有124 W. 此外，在-0.3-0 V （vs. RHE）下，经5000圈稳定性测试后性能只有约2.6% （10 mA/cm²）的衰减，说明MoS₂/SNC-900-12h同样具有优异的电化学稳定性.

关键词: 二硫化钼纳米片, 硫、氮共掺杂的碳, 电催化析氢, 复合材料, 析氢反应

Abstract:

Ultrathin small MoS₂ nanosheets exhibit a higher electrocatalytic activity for the hydrogen evolution reaction. However, strong interactions between MoS₂ layers may result in aggregation; together with the low conductivity of MoS₂, this may lower its electrocatalytic activity. In this paper we present a method that we developed to directly produce solid S, N co-doped carbon (SNC) with a graphite structure and multiple surface groups through a hydrothermal route. When Na₂MoO₄ was added to the reaction, polymolybdate could be anchored into the carbon materials via a chemical interaction that helps polymolybdate disperse uniformly into the SNC. After a high temperature treatment, polymolybdate transformed into MoS₂ at 800 ℃ for 6 h in a N₂ atmosphere at a heating rate of 5 ℃/min, owing to S^2- being released from the SNC during the treatment (denoted as MoS₂/SNC-800-6h). The SNC effectively prevents MoS₂ from aggregating into large particles, and we successfully prepared highly dispersed MoS₂ in the SNC matrix. Electrochemical characterizations indicate that MoS₂/SNC-900-12h exhibits a low onset potential of 115 mV and a low overpotential of 237 mV at a current density of 10 mA/cm². Furthermore, MoS₂/SNC-900-12h also had an excellent stability with only ~2.6% decay at a current density of 10 mA/cm² after 5000 test cycles.

Key words: MoS₂ nanosheet, S, N co-doped carbon, Electrocatalytic hydrogen production, Composite, Hydrogen evolution reaction

滑世新, 曲丹, 安丽, 席广成, 陈戈, 李钒, 周志军, 孙再成. 高分散超薄二硫化钼/硫、氮共掺碳复合材料的电催化析氢性能[J]. 催化学报, 2017, 38(6): 1028-1037.

Shixin Hua, Dan Qu, Li An, Guangcheng Xi, Ge Chen, Fan Li, Zhijun Zhou, Zaicheng Sun. Highly dispersed few-layer MoS₂nanosheets on S, N co-doped carbon for electrocatalytic H₂ production[J]. Chinese Journal of Catalysis, 2017, 38(6): 1028-1037.

×
扫码分享

导出引用管理器 EndNote|Ris|BibTeX

链接本文: https://www.cjcatal.com/CN/10.1016/S1872-2067(17)62830-4

https://www.cjcatal.com/CN/Y2017/V38/I6/1028

参考文献

[1] M. S. Dresselhaus, I. L. Thomas, Nature, 2001, 414, 332-337.
[2] Z. H. Wen, J. Liu, J. H. Li, Adv. Mater., 2008, 20, 743-747.
[3] D. V. Esposito, S. T. Hunt, A. L. Stottlemyer, K. D. Dobson, B. E. McCandless, R. W. Birkmire, J. G. Chen, Angew. Chem. Int. Ed., 2010, 49, 9859-9862.
[4] S. J. Liu, X. Zhang, J. Zhang, Z. G. Lei, X. Liang, B. H. Chen, Sci. China Mater., 2016, 59, 1051-1061.
[5] H. Zhong, J. Wang, F. Meng, X. Zhang, Angew Chem. Int. Ed., 2016, 55, 9937-9941.
[6] F. Meng, H. Zhong, D. Bao, J. Yan, X. Zhang, J. Am. Chem. Soc., 2016, 138, 10226-10231.
[7] Z. L. Wang, X. F. Hao, Z. Jiang, X. P. Sun, D. Xu, J. Wang, H. X. Zhong, F. L. Meng, X. B. Zhang, J. Am. Chem. Soc, 2015, 137, 15070-15073.
[8] J. Wang, K. Li, H. X. Zhong, D. Xu, Z. L. Wang, Z. Wu, X. B. Zhang, J. Wang, H. X. Zhong, Z. Jiang, Angew. Chem. Int. Ed., 2015, 54, 10530-10534.
[9] D. Merki, X. L. Hu, Energy Environ. Sci., 2011, 4, 3878-3888.
[10] Y. Yan, B. Y. Xia, Z. C. Xu, X. Wang, ACS Catal., 2014, 4, 1693-1705.
[11] J. Kibsgaard, Z. B. Chen, B. N. Reinecke, T. F. Jaramillo, Nat. Mater., 2012, 11, 963-969.
[12] H. I. Karunadasa, E. Montalvo, Y. J. Sun, M. Majda, J. R. Long, C. J. Chang, Science, 2012, 335, 698-702.
[13] Q. Tang, D. E. Jiang, ACS Catal., 2016, 6, 4953-4961.
[14] D. S. Kong, H. Wang, J. J. Cha, M. Pasta, K. J. Koski, J. Yao, Y. Cui, Nano Lett., 2013, 13, 1341-1347.
[15] J. F. Xie, H. T. Zhang, S. Li, R. X. Wang, X. Sun, M. Zhou, J. F. Zhou, X. W. D. Lou, Y. Xie, Adv. Mater., 2013, 25, 5807-5813.
[16] W. J. Zhou, D. M. Hou, Y. H. Sang, S. H. Yao, J. Zhou, G. Q. Li, L. G. Li, H. Liu, S. W. Chen, J. Mater. Chem. A, 2014, 2, 11358-11364.
[17] C. G. Morales-Guio, L. A. Stern, X. L. Hu, Chem. Soc. Rev., 2014, 43, 6555-6569.
[18] D. H. Youn, S. Han, J. Y. Kim, J. Y. Kim, H. Park, S. H. Choi, J. S. Lee, ACS Nano, 2014, 8, 5164-5173.
[19] D. McAteer, Z. Gholamvand, N. McEvoy, A. Harvey, E. O’Malley, G. S. Duesberg, J. N. Coleman, ACS Nano, 2016, 10, 672-683.
[20] J. Wang, H. X. Zhong, Z. L. Wang, F. L. Meng, X. B. Zhang, ACS Nano, 2016, 10, 2342-2348.
[21] U. Maitra, U. Gupta, M. De, R. Datta, A. Govindaraj, C. N. R. Rao, Angew. Chem. Int. Ed., 2013, 52, 13057-13061.
[22] D. Qu, M. Zheng, L. G. Zhang, H. F. Zhao, Z. G. Xie, X. B. Jing, R. E. Haddad, H. Y. Fan, Z. C. Sun, Sci. Rep., 2014, 4, 5294.
[23] D. Qu, M. Zheng, P. Du, Y. Zhou, L. G. Zhang, D. Li, H. Q. Tan, Z. G. Zhao, Z. C. Xie, Z. Sun, Nanoscale, 2013, 5, 12272-12277.
[24] D. F. Yan, S. Dou, L. Tao, Z. J. Liu, Z. G. Liu, J. Huo, S. Y. Wang, J. Mater. Chem. A, 2016, 4, 13726-13730.
[25] H. W. Wang, P. Skeldon, G. E. Thompson, Surf. Coat. Technol., 1997, 91, 200-207.
[26] P. Li, Z. Yang, J. X. Shen, H. Q. Nie, Q. R. Cai, L. H. Li, M. Z. Ge, C. C. Gu, X. A. Chen, K. Q. Yang, L. J. Zhang, Y. Chen, S. M. Huang, ACS Appl. Mater. Interfaces, 2016, 8, 3543-3550.
[27] X. L. Zheng, J. B. Xu, K. Y. Yan, H. Wang, Z. L. Wang, S. H. Yang, Chem. Mater., 2014, 26, 2344-2353.
[28] Y. Ito, W. T. Cong, T. Fujita, Z. Tang, M. W. Chen, Angew. Chem. Int. Ed., 2015, 54, 2131-2136.
[29] W. Kiciński, M. Szala, M. Bystrzejewski, Carbon, 2014, 68, 1-32.
[30] T. F. Jaramillo, K. P. Jörgensen, J. Bonde, J. H. Nielsen, S. Horch, I. Chorkendorff, Science, 2007, 317, 100-102.
[31] Y. G. Li, H. L. Wang, L. M. Xie, Y. Y. Liang, G. S. Hong, H. J. Dai, J. Am. Chem. Soc., 2011, 133, 7296-7299.

高分散超薄二硫化钼/硫、氮共掺碳复合材料的电催化析氢性能

Highly dispersed few-layer MoS₂nanosheets on S, N co-doped carbon for electrocatalytic H₂ production

PDF

可视化

摘要/Abstract

引用本文

使用本文

扫码分享

参考文献

相关文章 15

编辑推荐

Metrics

[1]	王潇涵, 田汉, 余旭, 陈立松, 崔香枝, 施剑林. 非晶相电催化剂在电解水领域的研究进展[J]. 催化学报, 2023, 51(8): 5-48.
[2]	韩策, 梅丙宝, 张庆华, 张慧敏, 姚鹏飞, 宋平, 宫雪, 崔培昕, 姜政, 谷林, 徐维林. 钒掺杂钨青铜内通道氨配位的钌单原子用于高效析氢反应[J]. 催化学报, 2023, 51(8): 80-89.
[3]	陈斌, 蒋亚飞, 肖海, 李隽. 石墨炔负载的双金属单团簇催化剂用于碱性析氢反应[J]. 催化学报, 2023, 50(7): 306-313.
[4]	詹麒尼, 帅婷玉, 徐慧民, 黄陈金, 张志杰, 李高仁. 单原子催化剂的合成及其在电化学能量转换中的应用[J]. 催化学报, 2023, 47(4): 32-66.
[5]	Sue-Faye Ng, 陈星竹, Joel Jie Foo, 熊墨, Wee-Jun Ong. 2D氮化碳: 通过调节非金属硼掺杂C₃N₅阐明宽酸性及碱性pH范围的光催化析氢的反应机理[J]. 催化学报, 2023, 47(4): 150-160.
[6]	李卓根, 张伟斌, 朱陆军, 高健智, 石先进, 黄宇, 刘鹏, 朱刚强. 通过实验和理论验证Pt⁰/SrTiO_3‒_δ复合催化剂双反应路径促进CO₂还原[J]. 催化学报, 2023, 46(3): 113-124.
[7]	王妮, 张学鹏, 韩金秀, 雷海涛, 张清鑫, 张航, 张伟, 曹睿. 第二配位层磺酸根在电催化析氢反应中的作用[J]. 催化学报, 2023, 45(2): 88-94.
[8]	杨竣皓, 安露露, 王双, 张辰浩, 罗官宇, 陈应泉, 杨会颖, 王得丽. 层状双氢氧化物基电解水催化剂的缺陷工程调控策略[J]. 催化学报, 2023, 55(12): 116-136.
[9]	苏慧, 姜静, 宋少佳, 安博涵, 李宁, 高旸钦, 戈磊. 过渡金属硫化物相关电催化剂的设计与应用研究[J]. 催化学报, 2023, 44(1): 7-49.
[10]	白雪, 管景奇. 过渡金属碳氮化物在电催化领域的应用: 改性和杂化[J]. 催化学报, 2022, 43(8): 2057-2090.
[11]	黄楚强, 周建清, 段丁槊, 周前程, 汪杰明, 彭博文, 余罗, 余颖. 异质原子在碱性电解水催化剂中的作用——反应机理[J]. 催化学报, 2022, 43(8): 2091-2110.
[12]	李鹏, 赵国强, 程宁燕, 夏力学, 李晓宁, 陈亚平, 劳梦梦, 程振祥, 赵焱, 徐迅, 姜银珠, 潘洪革, 窦士学, 孙文平. 过渡金属单原子功能化碳载体促进碱性氢电催化反应动力学[J]. 催化学报, 2022, 43(5): 1351-1359.
[13]	鲁利梅, 张以河, 陈振胜, 冯峰, 滕凯旋, 张舒婷, 庄佳琳, 安琪. 界面N-C负载三元Zn-Co-Ni合金纳米材料对电催化水分解的协同增强效应[J]. 催化学报, 2022, 43(5): 1316-1323.
[14]	徐志莹, 郭春雨, 刘欣, 李苓, 王亮, 徐浩兰, 张东柯, 李春虎, 李勤, 王文泰. Ag纳米粒子修饰有机/无机Z型3DOMM-TiO_2‒_x异质结的构建及高效光催化和光电催化分解水制氢[J]. 催化学报, 2022, 43(5): 1360-1370.
[15]	王兰, 公宁, 周洲, 张启成, 彭文朝, 李阳, 张凤宝, 范晓彬. MOF衍生的分层多孔三维N-CoP_x/Ni₂P大电流密度下加速析氢[J]. 催化学报, 2022, 43(4): 1176-1183.

高分散超薄二硫化钼/硫、氮共掺碳复合材料的电催化析氢性能

Highly dispersed few-layer MoS2 nanosheets on S, N co-doped carbon for electrocatalytic H2 production

PDF

可视化

摘要/Abstract

引用本文

使用本文

扫码分享

参考文献

相关文章 15

编辑推荐

Metrics

Highly dispersed few-layer MoS₂nanosheets on S, N co-doped carbon for electrocatalytic H₂ production