上海硅酸盐所等在高活性析氢催化剂设计方面取得进展
- 2020/5/11 10:45:24 12256
- 来源：仪表网
【仪表网 仪表研发】设计低成本、高活性析氢催化剂高效制氢是建立氢能源系统的重要组成部分，二维层状硫属化合物MoS2具有制备简单、结构稳定、催化活性可调的优势，因此被视为非常有潜力的酸性电解水制氢催化剂。然而其高活性位点大部分限定在有限的边界处(edge)，如何实现MoS2面内(Basal Plane)位点活化是推动其实际应用的关键。
近日，中国科学院上海硅酸盐研究所研究员刘建军带领的计算电化学团队和新加坡南洋理工大学教授范红金的纳米材料研究团队合作研究，在MoS2面内催化结构设计方面取得进展。理论计算发现催化吸附位点(S)与相连接的过渡金属组成区域活性中心，提出区域电负性概念进行催化剂设计，选择不同过渡金属原子(V,Cr,Co,Ni)掺杂MoS2面形成不同局域结构，通过不同TM-S化学键特征调控MoS2基面电荷转移能力，实现析氢催化活性优化。
电荷转移或称为电荷交换，简称荷转。指的是正离子与中性原子碰撞时发生的电荷转移过程。这时，正离子将俘获原子中的一个价电子而成为原子；原子则因失去一个价电子而成为正离子。荷转过程属于第二类非弹性碰撞过程。在碰撞中，碰撞粒子的势能从一方转移到另一方。
基于理论计算、实验合成与电化学表征紧密合作，发现具有中心硫空位的三角钴掺杂MoS2基面中(3CoMo-VS)表现出析氢催化性能，在10 mA cm-2电流密度下过电势仅为75 mV，Tafel斜率是57 mV dec-1，是目前报道二维MoS2电解水制氢催化性能优异材料之一。
电解水制氢的制作原理：
在一些电解质水溶液中通入直流电时，分解出的物质与原来的电解质完全没有关系，被分解的是作为溶剂的水，原来的电解质仍然留在水中。例如硫酸、氢氧化钠、氢氧化钾等均属于这类电解质。在电解水时，由于纯水的电离度很小，导电能力低，属于典型的弱电解质，所以需要加入前述电解质，以增加溶液的导电能力，使水能够顺利地电解成为氢气和氧气
此外，刘建军团队系统研究了MoS2四种经典掺杂缺陷与边界结构(过渡金属原子替换Mo，S-空位，Mo-边缘和S边缘)不同过渡金属元素对电子态和阴阳离子电催化活性的调控。提出区域电负性(Ψ)作为一个催化活性描述符，建立了配位环境、掺杂原子电负性、原子半径和价电子数与区域电负性的定量关系，为高活性筛选提供理论基础。
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