【儀表網 儀表研發(fā)】設計低成本、高活性析氫催化劑高效制氫是建立氫能源系統(tǒng)的重要組成部分，二維層狀硫屬化合物MoS2具有制備簡單、結構穩(wěn)定、催化活性可調的優(yōu)勢，因此被視為非常有潛力的酸性電解水制氫催化劑。然而其高活性位點大部分限定在有限的邊界處(edge)，如何實現(xiàn)MoS2面內(Basal Plane)位點活化是推動其實際應用的關鍵。
近日，中國科學院上海硅酸鹽研究所研究員劉建軍帶領的計算電化學團隊和新加坡南洋理工大學教授范紅金的納米材料研究團隊合作研究，在MoS2面內催化結構設計方面取得進展。理論計算發(fā)現(xiàn)催化吸附位點(S)與相連接的過渡金屬組成區(qū)域活性中心，提出區(qū)域電負性概念進行催化劑設計，選擇不同過渡金屬原子(V,Cr,Co,Ni)摻雜MoS2面形成不同局域結構，通過不同TM-S化學鍵特征調控MoS2基面電荷轉移能力，實現(xiàn)析氫催化活性優(yōu)化。
電荷轉移或稱為電荷交換，簡稱荷轉。指的是正離子與中性原子碰撞時發(fā)生的電荷轉移過程。這時，正離子將俘獲原子中的一個價電子而成為原子；原子則因失去一個價電子而成為正離子。荷轉過程屬于第二類非彈性碰撞過程。在碰撞中，碰撞粒子的勢能從一方轉移到另一方。
基于理論計算、實驗合成與電化學表征緊密合作，發(fā)現(xiàn)具有中心硫空位的三角鈷摻雜MoS2基面中(3CoMo-VS)表現(xiàn)出析氫催化性能，在10 mA cm-2電流密度下過電勢僅為75 mV，Tafel斜率是57 mV dec-1，是目前報道二維MoS2電解水制氫催化性能優(yōu)異材料之一。
電解水制氫的制作原理：
在一些電解質水溶液中通入直流電時，分解出的物質與原來的電解質完全沒有關系，被分解的是作為溶劑的水，原來的電解質仍然留在水中。例如硫酸、氫氧化鈉、氫氧化鉀等均屬于這類電解質。在電解水時，由于純水的電離度很小，導電能力低，屬于典型的弱電解質，所以需要加入前述電解質，以增加溶液的導電能力，使水能夠順利地電解成為氫氣和氧氣
此外，劉建軍團隊系統(tǒng)研究了MoS2四種經典摻雜缺陷與邊界結構(過渡金屬原子替換Mo，S-空位，Mo-邊緣和S邊緣)不同過渡金屬元素對電子態(tài)和陰陽離子電催化活性的調控。提出區(qū)域電負性(Ψ)作為一個催化活性描述符，建立了配位環(huán)境、摻雜原子電負性、原子半徑和價電子數(shù)與區(qū)域電負性的定量關系，為高活性篩選提供理論基礎。
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