【儀表網(wǎng) 儀表研發(fā)】設(shè)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?qū)倩衔颩oS2具有制備簡單、結(jié)構(gòu)穩(wěn)定、催化活性可調(diào)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(nèi)(Basal Plane)位點活化是推動其實際應(yīng)用的關(guān)鍵。
近日，中國科學(xué)院上海硅酸鹽研究所研究員劉建軍帶領(lǐng)的計算電化學(xué)團隊和新加坡南洋理工大學(xué)教授范紅金的納米材料研究團隊合作研究，在MoS2面內(nèi)催化結(jié)構(gòu)設(shè)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(shè)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(jié)構(gòu)，通過不同TM-S化學(xué)鍵特征調(diào)控MoS2基面電荷轉(zhuǎn)移能力，實現(xiàn)析氫催化活性優(yōu)化。
電荷轉(zhuǎn)移或稱為電荷交換，簡稱荷轉(zhuǎn)。指的是正離子與中性原子碰撞時發(fā)生的電荷轉(zhuǎn)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(zhuǎn)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(zhuǎn)移到另一方。
基于理論計算、實驗合成與電化學(xué)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(zhì)水溶液中通入直流電時，分解出的物質(zhì)與原來的電解質(zhì)完全沒有關(guān)系，被分解的是作為溶劑的水，原來的電解質(zhì)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(zhì)。在電解水時，由于純水的電離度很小，導(dǎo)電能力低，屬于典型的弱電解質(zhì)，所以需要加入前述電解質(zhì)，以增加溶液的導(dǎo)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(jīng)典摻雜缺陷與邊界結(jié)構(gòu)(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(diào)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(guān)系，為高活性篩選提供理論基礎(chǔ)。
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