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為什么MoS2在催化領(lǐng)域的研究進(jìn)展值得關(guān)注?

先豐納米 2024-08-20 | 閱讀：2648

氫能是未來(lái)能源體系的重要組成部分。電解水制氫是減少對(duì)化石燃料的依賴、降低碳排放的關(guān)鍵技術(shù)之一。MoS2作為一種有前景的非貴金屬催化劑，具有獨(dú)特的電子結(jié)構(gòu)和化學(xué)性質(zhì)，在催化制氫領(lǐng)域得到了廣泛應(yīng)用。

本期小豐整理了3篇有關(guān)MoS2制氫的最新研究進(jìn)展，一起看下吧~

Small

1T-MoS2負(fù)載高密度Pd單原子催化劑實(shí)現(xiàn)全pH高效析氫

1T-MoS2因其高導(dǎo)電性和催化活性而受到關(guān)注，但獲取高純度1T-MoS2仍具有挑戰(zhàn)。

2024年6月1日，期刊Small報(bào)道了研究人員開發(fā)了SO42-原位錨定制備1T相MoS2的方法。該項(xiàng)工作系統(tǒng)研究了高載量貴金屬Pd在1T-MoS2上的原子級(jí)分散結(jié)構(gòu)，并探索了其在全pH下的電催化析氫效果。

研究人員通過(guò)濕化學(xué)浸漬和熱解法使SO42?錨定嵌入MoS2形成1T-MoS2，隨后采用簡(jiǎn)單熱處理方式引入Pd原子，制備得到Pd1/1T-MoS2/C催化劑。結(jié)果表明，薄層1T-MoS2均勻分散在KBC片層上，Pd以單原子形式嵌入MoS2且保持了金屬相且Pd含量可達(dá)7.2wt%。

在析氫反應(yīng)（HER）中，Pd1/1T-MoS2/C催化劑展現(xiàn)出優(yōu)異的催化性能，在堿性電解質(zhì)中，過(guò)電位低至53mV（電流密度為10mA cm-2），接近商用Pt/C，優(yōu)于大多數(shù)已報(bào)道的HER催化劑。Tafel斜率僅為37mV dec-1，并且具有最小的電荷轉(zhuǎn)移電阻。同樣地，該催化劑在酸性和中性電解質(zhì)下HER活性依然優(yōu)異。

貴金屬實(shí)驗(yàn)與理論計(jì)算結(jié)果證明了Pd原子與MoS2之間有Pd-S鍵生成且存在電荷轉(zhuǎn)移，Pd的引入有效調(diào)控了MoS2中相鄰兩殼層S位點(diǎn)的電子結(jié)構(gòu)，使S活性位點(diǎn)的氫吸附能接近于零并且保持了1T相的結(jié)構(gòu)穩(wěn)定，從而加速了HER動(dòng)力學(xué)。

該研究成果對(duì)發(fā)展低成本和穩(wěn)定催化劑的設(shè)計(jì)和開發(fā)具有推動(dòng)作用，有助于減少溫室氣體排放，推動(dòng)能源結(jié)構(gòu)的轉(zhuǎn)型。

文獻(xiàn)名稱：Stabilizing and Activating Active Sites: 1T‐MoS2 Supported Pd Single Atoms for Efficient Hydrogen Evolution Reaction

DOI:10.1002/smll.202401537

Chemical Engineering Journal

Pt原子團(tuán)簇/MoS2納米片/Co摻雜中空碳納米纖維高電流密度制氫

2024年7月6日，Chemical Engineering Journal報(bào)道了研究人員制備出一種基于Pt原子團(tuán)簇(AC)/MoS2納米片/鈷摻雜中空碳納米纖維 (Pt-MoS2-Co@CHNF)的高效混合電催化劑，可用于大規(guī)模制氫。

該催化劑中Pt ACs的含量為0.46wt％，比商業(yè)Pt/C（20wt％）低43倍。得益于Co摻雜的中空和層狀結(jié)構(gòu)，所制備的Pt-MoS2-Co@CHNF催化劑具有大的比表面積（44.5m2/g），有利于形成更多的活性位點(diǎn)并增加電解質(zhì)與催化劑之間的吸附和接觸時(shí)間，從而加速整體堿性HER。

實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，在1MKOH電解質(zhì)中，Pt-MoS2-Co@CHNF 催化劑在電流密度為10mA cm?2時(shí)，過(guò)電位低至91mV ，在300mA cm?2時(shí)過(guò)電位低至297mV，Tafel斜率為78mV dec-1。

此外，該電催化劑還具有出色的耐久性，在200mA cm?2的大電流密度下連續(xù)運(yùn)行14小時(shí)后，衰減可以忽略不計(jì)。Pt-MoS2-Co@CHNF 用于HER時(shí)具有出色的活性和穩(wěn)定性，優(yōu)于之前報(bào)道的最先進(jìn)的Co基和MoS2基催化劑。

值得注意的是，Pt-MoS2-Co@CHNF作為自支撐無(wú)粘合劑電極時(shí)，在301mV的低過(guò)電位下實(shí)現(xiàn)了500mA cm?2的超高電流密度，并且該電極在1M KOH海水電解質(zhì)中以500mA cm?2可穩(wěn)定24小時(shí)，這代表了其在大規(guī)模海水制氫的巨大潛力。

文章名稱：Pt atomic clusters/MoS2 nanosheets/Co-doped hollow carbon nanofibers for high-current–density alkaline hydrogen production

DOI:10.1016/j.cej.2024.153665

Advanced Functional Materials

基于MoS2/Ti3C2催化劑的摩擦納米發(fā)電機(jī)制氫系統(tǒng)

由摩擦納米發(fā)電機(jī)（TENG）驅(qū)動(dòng)的電解水被認(rèn)為是一種有前途的綠色制氫方法。

2024年7月18日，Advanced Functional Materials報(bào)道研究人員一種高效的自供電制氫系統(tǒng)，以MoS2/Ti3C2/NF做制氫電極，通過(guò)集成多層旋轉(zhuǎn)摩擦納米發(fā)電機(jī) (MR-TENG)、電源管理電路(PMM)和電解池, 實(shí)現(xiàn)了氫氣的生產(chǎn)。

該團(tuán)隊(duì)采用混合酸刻蝕法和水熱法制備得到MoS2/Ti3C2復(fù)合材料，并將其作為電解水制氫的電極。在電流密度為10mA cm?2時(shí)，MoS2/Ti3C2的過(guò)電位為124mV，Tafel斜率為24.63mV dec-1。以50mV?1的速率掃描，MoS2/Ti3C2MXene電極在連續(xù)10000次CV掃描后沒(méi)有明顯的衰減，證明其具有良好的穩(wěn)定性。

與純MoS2、Ti3C2相比，MoS2/Ti3C2具有更高的電化學(xué)活性面積，這說(shuō)明其催化活性位點(diǎn)的暴露程度更大，反應(yīng)物能被有效地吸附和移動(dòng)，從而提高了催化劑的性能。

此外，研究人員評(píng)價(jià)了MoS2/Ti3C2電催化劑的MR-TENG系統(tǒng)在制氫方面的潛在應(yīng)用。組裝的自供電系統(tǒng)由MR-TENG、PMM、恒壓輸出模塊和電解槽組成。

結(jié)果表明，當(dāng)MR-TENG在90rpm運(yùn)行時(shí)，該系統(tǒng)的產(chǎn)氫速率達(dá)到7.1μL/min，證明了其可作為一種可行的自動(dòng)力水電解制氫系統(tǒng)。

該項(xiàng)研究中基于MR-TENG的水電解系統(tǒng)將為將海洋藍(lán)能轉(zhuǎn)化為可再生的綠色氫能提供一個(gè)可行的途徑。

文獻(xiàn)名稱：Triboelectric Nanogenerators Powered Hydrogen Production System Using MoS2/Ti3C2 as Catalysts

DOI:10.1002/adfm.202406188

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