天津大学Jing Yang课题组--通过与吡啶N-C配位以激活2H-MoS2的边缘Mo:用于全pH值析氢电催化

2H-MoS2是天然存在且热力学稳定的相,然而在中性和碱性电解液中显示出不好的HER活性。这里,一种杂化电催化剂,即2H-MoS2/N掺-介孔石墨烯,富含Mo-吡啶氮配位环境。最佳的杂化催化剂可提供长期的耐久性,和出色的HER活性,在10 mA cm-2下,在酸性,碱性和磷酸盐缓冲溶液(PBS)介质中,分别只需要110、145和142 mV的过电势,该性能优于以前报道的大多数MoS2-碱催化剂。理论和实验结果表明,相对于吡咯和石墨N,界面吡啶N与Mo原子具有较高的键合能力,边缘的Mo与吡啶N配位可能作为HER的活性位点。DFT计算进一步揭示了Mo-吡啶N配位修饰了边缘Mo的电荷密度,进而优化了氢吸附能,促进水的分解,从而促进全pH范围内的HER过程的进行。

Figure 1. 基于各种反应位点的HER过程的理论研究。(a)Mo-吡啶N键上的碱性和中性HER机制。(b)Volmer步骤中H2O分解的能量图。(c)计算出的各种催化剂的H吸附自由能(ΔG(H *))。(d)电荷密度差和吡啶氮的吸附示意图。

Figure 2. 催化剂的形态和结构表征。(a)SEM图像和(b)低倍TEM图像。(c,d1-d4)EFTEM图像;(e)原子力显微镜图像;(f)MoS2/NLG-3杂化物的XRD图谱。(g)三种催化剂的拉曼光谱。

Figure 3. 界面Mo-N-C键的结构分析。(a)不同样品的N 1s XPS光谱,和(b)Mo 3d XPS光谱。(c)不同样品的的N K边缘EELS光谱,(d)Mo M-边缘EELS光谱,(e)Mo K-edge XANES光谱,(f)FT-EXAFS光谱。

Figure 4. 在不同pH电解质中HER的活性和稳定性。在N2饱和的(a)0.5 M H2SO4,(b)1.0 M KOH和(c)1.0 M PBS电解液中的LSV极化曲线。(d-f)杂化催化剂的相应Tafel斜率。(g)TOF与吡啶,吡咯和石墨氮含量之间的关系。(h)MoS2/NLG-3样品在酸、碱、中性溶液中的HER稳定性(i-t曲线)。

该研究工作由天津大学Jing Yang课题组于2021年发表在ACS Catal.期刊上。原文:Activating Edge-Mo of 2H-MoS2 via Coordination with Pyridinic N−C for pH-Universal Hydrogen Evolution Electrocatalysis。

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