MoS2层间限制NiFe双原子的超高效酸性整体电解水电催化剂

学术   2024-05-29 10:21   江西  

文章背景
将双原子限制在二维层状材料的能隙内,有望提高催化过程的动力学和能量强度,但在二维极限下,在相邻两层内精确组装双原子是一个巨大的挑战。典型的二维层状材料,如MoS2,具有新颖的电子特性,稳定的结构和高度暴露的表面,在构建明确的结构限制方面表现出巨大的潜力,但很少被利用。本文提出一种巧妙的方法,将Ni和Fe的(束缚双原子)DAs组装到MoS2的夹层中。这种夹层结构在具有双原子物种的独特优点的同时,还利用限制效应优化了自己,表现出对被限制的金属活性中心更有利的吸附强度和对酸性电解水更高的催化活性。
文章简介
本文通过将Ni和Fe DAs锚在2D MoS2的孤立硫空位处,该空位被认为是用于捕获金属原子或原子簇的理想原子尺度键合位点,然后驱动单层(双原子中心催化剂)DASCs组装成旋涡状结构。当二维覆盖层与金属之间的层间距减小到纳米级时,将为DAs提供一个封闭空间,这不仅为探索封闭催化提供了一个完美的微环境,而且为恶劣反应条件下的聚集和退化提供了一个保护屏障或庇护所。
图文分析

图1:a)在2D极限中在两个相邻层内原子级精确组装DA的提议。b)平面NiFe@MoS2,c)1.5 nm层间限制NiFe@MoS2和d)1.2 nm层间限制NiFe@MoS2的DFT模型。e)水解离势垒比较。f)HER过程的标准自由能图。

图2:a)所提出的1.2nm镍离子化位点的酸性OER机制和相应的自由能的示意图。b)所提出的1.2 nm Fe限制位点的酸性OER机制和相应的自由能的示意图。c)OER的自由能量路径,设定电位为1.23 V,速率决定步骤用颜色对应的星星标记。d)1.5nm层间限制的NiFe@MoS2、1.2nm层间限制的NiFe@MoS2和平面NiFe@MoS2的PDOS结果,其中d带中心位置用红色虚线标记。



图3:a)原始单层MoS2的原子分辨率像差校正的HAADF-STEM图像。b)从(a)提取的HAADF强度分布,用洋红色虚线矩形标记。c)显示Ni和Fe的金属DA的锚定的示意图。d)平面NiFe@MoS2的TEM图像。e)原始单层MoS2和平面NiFe@MoS2的ESR光谱。f)示出了层间限制的NiFe@MoS2的形成过程的示意图。g)层间限制的NiFe@MoS2的侧壁的HAADF-STEM,插图是相应的低倍率TEM图像。h)层间限制NiFe@MoS2的原子分辨率像差校正HAADF-STEM图像,其中蓝色和橙子球分别代表Mo和Si)从(h)中红色矩形区域提取的区域中收集的EELS。层间限制NiFe@MoS2与Ni(或Fe)箔的EXAFS谱的k3加权Ni K边(j)和Fe K边(k)的傅里叶变换,其插图是相应的XANES谱。

图4:a)用于HER的层间限制的NiFe@MoS2、平面NiFe@MoS2、层间限制的Sv@MoS2、裸玻璃碳电极和20%Pt/C的极化曲线和B)Tafel图。c)层间限制的NiFe@MoS2和平面NiFe@MoS2的安培计j-t测试。d)OER的层间限制NiFe@MoS2、平面NiFe@MoS2、层间限制Sv@MoS2和IrO2的极化曲线和e)塔菲尔图。f)层间限制的NiFe@MoS2和平面NiFe@MoS2的电流j-t测试。

图5:a)示出了在酸性水电解槽电池中层间限制的NiFe@MoS2的实验设置的示意图。B)层间限制的NiFe@MoS2、平面NiFe@MoS2和层间限制的Sv@MoS2的全部水裂解的极化曲线。c)层间限制的NiFe@MoS2和平面NiFe@MoS2的16小时计时电位法测试,用于整体水裂解。d)在高电流密度(150 mA cm-2)下对层间限制的NiFe@MoS2进行100小时安培j-t测试,以进行整体水分解。e)在j = 150 mA cm-2下100 h长期电流j-t测试后的低放大率TEM(阴极),插图是相应的HAADF-STEM图像。f)在j = 150 mA cm-2下进行100小时安培j-t测试后,层间限制的NiFe@MoS2(阴极)的ESR谱,以及在100小时安培j-t测试和MoS2纳米卷之前,层间限制的NiFe@MoS2的ESR谱作为参考。








总结
本文研发了一种新的层间限制合成方法。密度泛函理论计算和实验结果表面,层间受限结构对受限金属活性中心的吸附能力更强,对酸性电解水具有更高的催化活性。此外,空间的限制也成为了DAs在恶劣的反应条件下生存的保护性“庇护所”。这种基于2D材料夹层,通过简单且通用的限制合成方法,对保证金属即使在苛刻的酸性条件下也具有高活性和稳定性是非常重要的,这可以容易地探索并应用于潜在的各种应用。

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