NiMo(O)物相结构与电解水析氢反应活性的关联（英文）

在电催化析氢反应中,Ni Mo(O)催化剂在高电流密度下通常表现为极低的过电位。然而,该优异电催化性能的真正起源尚不明确。一个新的角度,即研究钼镍催化剂结构/性能演变的规律,能够帮助深入理解镍钼催化剂具有高活性的本质原因。基于此,本文详细阐述了含有结晶水的钼酸镍的脱水和氧化过程,在随后的还原处理中,该演变过程也被证实对于衍生不同的催化剂相结构具有重要作用。文中通过热重-差热分析以及程序升温氢气还原的方法探究电催化剂的特征相结构演变过程。同时,借助X射线衍射仪、拉曼光谱和高分辨透射电子显微镜分析确认催化剂物相。原位电化学X射线衍射分析提供了电催化剂在反应过程中的晶相结构。本文合成了具有不同主体相结构的钼镍催化剂：MoNi₄,β-NiMoO₄和α-NiMoO₄,它们的析氢反应活性具有显著差异。其中,β-NiMoO₄作为主体相结构的NiMoO₄-400air-H₂催化剂在碱性水还原反应中显现出最差的析氢性能;与之相比,α-NiMoO₄作为主...     

单原子改性二硫化钼电催化析氢

氢能是21世纪最理想的清洁能源之一。相比于天然气和煤炭制氢,电解水制氢具有成本低、效率高、无污染、原料丰富的特点,可以有效缓解CO₂过量排放导致的温室效应。电催化析氢需要活性高、稳定性好、廉价易得的催化剂克服反应能垒并加速动力学过程,对实现分解水制氢的规模化应用具有重要的推动作用。铂基催化剂被公认为性能最优异的析氢电催化剂之一,但由于丰度低、成本高,不适用于大规模产氢。二硫化钼(MoS₂)作为典型的二维材料之一,因其高活性位点暴露和高比表面积在析氢领域展现出一定的应用潜能,并有望取代铂基催化剂。本文基于MoS₂电催化剂在析氢领域的研究现状,对单原子掺杂改性MoS₂以提高其催化活性的研究进行了综述,以析氢过电位(Overpotential)及塔菲尔(Tafel)曲线斜率为依据,总结了贵金属单原子、非贵金属单原子及非金属单原子改性MoS₂催化剂的结构与性能以及它们之间的构效关系,在此基础上,提出MoS₂析氢催化剂目前存在的科学问题并指出了未来的努力方向。     

低结晶度AuPt-Ru/CNTs合金异质结作为高效多功能电催化剂

催化剂的活性与其结构紧密相关,研究催化剂的构效关系以及可控合成高效电催化剂, 并探究其催化机制, 一直是科学研究的核心。贵金属铂是优异的电解水析氢的催化剂, 同时也是直接醇燃料电池阳极氧化的良好催化剂,而贵金属钌是优异的电解水析氧催化剂。这些与燃料电池及氢能相关的重要反应催化剂,可通过合成Pt、Au及Ru的合金催化剂, 通过应力效应、电子效应及团簇效应, 可有效提高金属催化剂的活性, 并实现多功能电催化性能。本文报道了可控合成低结晶度的AuPt-Ru合金异质结,并通过元素扫描分析及X射线衍射分析确认其结构。该催化剂表现出了非常优异的电催化氧化乙醇活性, 其归一化到Pt的质量活性达到了为21.4 A·mg^-1_Pt, 远远高于对照组样品AuPt及RuAuPt混合相催化剂及文献报道样品。催化剂同样表现出了非常好的乙醇氧化稳定性, 但是其活性的衰减与其Ru组分的流失紧密相关。我们同时通过电化学原位红外光谱,研究了该催化剂乙醇氧化中间产物, 分析了其反应机理。该催化剂同样表现出了优异的碱性电解水析氢及析氧催化活性,其析氢电流10 mA·cm^-2对应的过电位为30 mV, Tafel斜率为45 mV·dec^-1, 优于AuPt及RuPtAu对照组样品。该催化剂优异的电化学性能主要归结于其低结晶度和异质结及其伴随的应力效应及团簇效应。本报道提供了一种可控合成具有异质结结构的金属合金催化剂, 突出了其对实现多功能、 高性能合金电催化剂的重要性。     

二硫化钼析氢电催化剂

电解水与一次可再生能源耦合,可同时提供洁净制氢方式与先进的能源转化技术,有望在未来清洁能源经济中扮演重要角色,而实现这一美好愿景的关键在于研发高活性、低成本的析氢/析氧电催化材料。二硫化钼(MoS₂)是颇具代表性的非贵金属析氢电催化材料,纵观其研究历程,先导性理论预测与材料设计、先进制备与表征技术的应用均在改性研究中发挥了至关重要的作用,这也从一个侧面折射出当代电催化剂的研究模式与发展趋势。本文按照重要发现与进展的时间顺序,梳理了MoS₂析氢电催化剂的发展历程,重点论述了增多边缘活性位、提高导电性、构筑基面活性位等改性策略的实施方法、效果与机理,最后从全领域总结了MoS₂析氢电催化剂的研究启示并展望其未来发展趋势。     

(Ag,Au)/MoS2的电解水性能及等离激元光热作用

MoS₂是电解水体系的一种备受关注的非贵金属析氢催化剂,优化其活性位点是提高其活性的研究重点.采用水热法在三维导电碳布(CC)上合成了二维片状Mo S₂,将反应温度从200℃调至180℃可保留具有更多活性位点的1T相,相应的Mo S₂(180)/CC电极表现出相对更低的析氢过电位.利用电化学方法在Mo S₂(180)/CC上分别沉积Ag和Au纳米粒子,得到Ag/Mo S₂(180)/CC和Au/Mo S₂(180)/CC电极.扫描电子显微镜(SEM)、X射线衍射(XRD)、X射线光电子能谱(XPS)表征结果以及无光照、光照和加热条件下电化学极化曲线、电化学阻抗谱(EIS)和Tafel斜率的测试结果表明,20 nm Ag和30 nm Au的负载及光照条件均可降低析氢过电位和增加电流密度,而体系温升的作用与金属的种类有关.利用COMSOL Multiphysics软件构建Mo S₂,Ag/Mo S₂和Au/Mo S<...     

P调控Pd的电子结构实现高效电解水析氢反应的性能分析

电解水制氢具有高效环保、制备的氢气纯度高等优点。氢析出反应作为电解水的半反应之一,需要高效、低成本的电催化剂。钯基催化剂作为氢析出反应电催化剂之一,在电催化析氢反应(HER)中通常表现出低活性,主要原因是H与Pd形成的强的Pd—H键使得吸附H原子(H_ad)的电化学脱附速度很慢,阻碍析氢反应的发生。本研究设计并合成了均一分散的磷化钯纳米颗粒(Pd₃P)嵌入在氮磷共掺杂碳材料表面(Pd₃P/NPC)的高效催化剂。当电流密度为10 mA/cm²时,Pd₃P/NPC呈现11 mV的过电势,优于商业Pd/C和Pt/C,并且具有高稳定性。在过电势20 mV时,此催化剂的翻转频率(5.95 H₂/s)高于商业Pt/C和Pd/C催化剂。实验结果表明,P原子进入Pd纳米晶体会形成Pd—P键,改变Pd(0)和PdⅡ含量,使得Pd的电子结构重构,促进H原子的脱附;同时P的引入增加了活性位点,提高了本征活性。     

双金属氮化物NiMoN析氢催化剂制备及其电解海水析氢性能的研究

电解水制氢是最具潜力的绿氢制备技术, 而高效析氢反应(HER)催化剂的开发对其大规模推广意义重大. 选用氯化镍和钼酸铵为镍源和钼源, 通过原位生长法获得NiMo双金属催化剂前驱体, 再以二腈二胺为氮源, 高温氮化-程序升温法制备了一系列NiMo_xN@NC催化剂(x代表钼酸铵和氯化镍的物质的量比), 并对催化剂进行了结构、形貌以及金属价态表征. 分别在1 mol/L KOH碱液以及模拟海水中分析了析氢(HER)性能. 结果表明, 碱液中NiMo_xN@NC催化剂均具有良好的电荷转移速率(R_ct<1 Ω), 具有较好的内在催化活性(Tafel斜率103~168 mV/dec). 其中, NiMo_0.75N@NC催化剂具有最高的极限电流(–178 mA/cm²), 最小的过电势η₁₀=0.164 V, η₁₀₀=0.448 V), 最高的内在催化活性, Tafel斜率只有103 mV/dec, 且具有较好的稳定性. 在海水中, 在10 mA/cm²和40 mA/cm²的负载电流下, NiMo_0.75N@NC催化剂依旧表现出了较好的稳定性.     

构筑三维有序介孔少层MoS2/C复合材料及其电化学析氢性能

本研究通过液相纳米铸造法,以SBA-15为硬模板,蔗糖为碳源,四硫代钼酸铵(ATTM)为MoS₂前驱体,合成了三维有序介孔结构少层MoS₂/C复合材料。该催化剂的三维有序介孔结构提供了较高的比表面积并为电化学析氢反应(HER)提供了物质和电子传输的通道,无定形碳的限制作用使少层MoS₂薄片均匀分散,暴露大量MoS₂的边缘活性位点,避免MoS₂团聚的发生,并增加了材料的导电性。在酸性条件下实现高效析氢,电流密度为10 mA/cm²时,过电位为165 mV,Tafel斜率为91.1 mV/dec。本研究为构建高比表面积和少层MoS₂均匀分散的三维结构HER催化剂提供了依据。     

磷化镍/氮硫双掺杂石墨烯复合材料的制备及电催化析氢性能

采用水热法合成了具有高活性的磷化镍纳米晶(Ni₂P), 并合成了氮、 硫共掺杂石墨烯负载磷化镍纳米催化剂(Ni₂P/NSRGO). 对该催化剂的结构和形貌进行了表征, 并研究其电催化析氢性能. 电化学测试结果表明, Ni₂P/NSRGO复合电催化剂的析氢性能优于Ni₂P/RGO催化剂, 具有较小的Tafel斜率(35 mV/dec)、 较低的过电位(η₁₀=140 mV)和良好的稳定性.     

不同硫源水热合成的MoS2催化剂的形貌和加氢脱氧活性比较研究

分别采用硫脲、L-胱氨酸和硫磺为硫源水热合成了三种MoS₂催化剂,对其结构和形貌特征进行了表征,并以对甲酚为探针化合物,比较研究了三种MoS₂的加氢脱氧（HDO）催化活性。结果表明,硫源对MoS₂晶体结构的影响不大,但对其形貌和比表面积影响较大。与商业MoS₂相比,所制备的MoS₂催化剂都表现出更高的HDO活性;其中,以硫脲为原料合成的MoS₂具有较高的比表面积和花状结构,其催化活性最高,在300℃下进行对甲酚的HDO反应,脱氧度可达99.3%。     

Copper-linked 1T MoS2/Cu2O Heterostructure for Efficient Photocatalytic Hydrogen Evolution

Metallic 1T phase molybdenum disulfide(1T MoS₂) is an excellent catalyst due to the abundant active sites and good conductivity. However, complex synthesis and unstable nature of 1T MoS₂ still limit its practical application. Herein, we propose a simple method to trigger the phase transition of MoS₂. This phase transition is first predicted by density functional theory(DFT) calculations and then confirmed by Raman spectroscopy and high-resolution transmission electron microscopy(HRTEM). 1T MoS₂/Cu₂O heterostructure catalyst is then developed, showing enhanced photocatalytic hydrogen evolution.     

Ni2P和MoS2催化剂在喹啉加氢脱氮反应中的协同效应

设计实验证明了Ni₂P和MoS₂催化剂在喹啉加氢脱氮反应中存在协同效应,该协同效应能够用氢溢流遥控模型理论解释。Ni₂P//MoS₂的协同因子随反应温度升高而减小,并且略微大于相同反应条件下NiS_x//MoS₂的协同因子。Ni₂P产生的溢流氢能够提高MoS₂催化剂上加氢活性位的数量,促使Ni₂P//MoS₂催化体系增加1,2,3,4-四氢喹啉和5,6,7,8-四氢喹啉加氢生成十氢喹啉的速率,提高其脱氮活性;因此,Ni₂P对MoS₂催化剂是很好的助剂。     

MoS_2/TiO_2复合催化剂的制备及其在紫外光下的光催化制氢活性

为了研究复合光催化剂在光催化中的制氢效率,采用水热法制备了Mo S2纳米片,然后通过水热法在Mo S2纳米片上负载了TiO_2纳米颗粒,形成了Mo S2/TiO_2异质结复合催化剂。采用冷场发射扫描电子显微镜(FE-SEM)、透射电子显微镜(TEM)、X射线衍射(XRD)、紫外-可见吸收光谱(UV-Vis)、拉曼光谱(Raman),X射线光电子能谱(XPS)对材料的结构和光学性能表征并进行分析。通过光催化制氢测试对光催化剂进行评价,实验结果表明,在波长为365 nm的紫外光照射下,最高光催化制氢速率为1004μmol·h-1·g-1,对应的催化剂的Mo S2含量为30%,其催化速率远大于单一的Mo S2和TiO_2,表明Mo S2/TiO_2复合催化剂在紫外光照下能显著提高光催化产氢性能。基于Mo S2/TiO_2复合光催化剂优越的光催化产氢性能,本文对复合光催化剂的产氢机理做了研究和分析。     

Layered MoS2@graphene functionalized with nitrogen-doped graphene quantum dots as an enhanced electrochemical hydrogen evolution catalyst

Layered MoS₂@graphene functionalized with nitrogen-doped graphene quantum dots (MoS₂@NGQDs-GR) was obtained by one-pot hydrothermal method, as an enhanced electrochemical hydrogen evolution catalyst.     

单原子掺杂二硫化钼析氢催化的进展和展望

层状二硫化钼由于具有独特的物理化学特性, 在电化学制氢领域受到广泛关注. 二硫化钼的氢惰性表面导致其在酸性和碱性电解液中的析氢活性都比铂差. 将单原子锚定在二硫化钼中能够有效活化惰性的基面，促使其成为先进的析氢电催化剂. 本文从单原子掺杂的二硫化钼的结构出发, 探讨了单原子在提升活性方面的具体机制, 总结了关于单原子掺杂的二硫化钼的制备方法、 表征手段和最新的研究进展, 以及单原子掺杂所产生的缺陷对于活性提升的重要作用. 最后, 基于单原子掺杂二硫化钼在析氢反应中的最新进展, 总结了该领域中相关催化剂的设计思想和主要挑战.     

花瓣状微球MoS_2/石墨烯复合材料的制备及其电化学性能

采用有利于二维层状结构形成的L-半胱氨酸作为硫源,钼酸钠作为钼源,制备聚乙烯基吡咯烷酮(PVP)辅助水热合成花瓣状微球形貌的MoS2/还原氧化石墨烯复合电极材料(PVP-MoS2/RGO).X射线衍射(XRD)及透射电子显微镜(TEM)证实,经过PVP的适量添加,MoS2有序堆垛结构的片层数目明显减少.扫描电子显微镜(SEM)显示,添加适量PVP的MoS2/石墨烯材料具有分散性更好的花瓣状微球形貌.上述的少层有序堆垛结构及复合材料的良好分散性缩短了MoS2中锂离子的嵌入/脱出路径,使其具有更高的容量、循环稳定性和倍率性能.     

Ni2P和MoS2催化剂在二苯并噻吩加氢脱硫反应中的氢溢流效应

对分层装填的Ni₂P//MoS₂催化剂上的二苯并噻吩加氢脱硫反应进行了研究。结果表明,分层装填的Ni₂P/Al₂O₃和MoS₂/Al₂O₃催化剂在二苯并噻吩加氢脱硫反应中存在氢溢流效应,氢溢流有助于提高MoS₂催化剂的活性位密度和加氢脱硫反应速率。由于Ni₂P比NiS_x具有更强的氢分子解离能力,Ni₂P//MoS₂催化体系的氢溢流因子略高于NiS_x//MoS₂;相对于NiS_x,Ni₂P对MoS₂催化剂是更好的助剂。     

硫粉为硫源,多元醇辅助合成硫化钼纳米片

MoS₂ nanosheets are prepared with sulfur powder and Na₂MoO₄ by a one-pot two-phase method at 170-200 ℃ for 8 h. In addition, a three-step growth mechanism based on the aggregation and coalescence model is proposed. The reassembly of sulfur powder ensures the transformation from sulfur powder to H₂S to reduce Na₂MoO₄ and plays a key role in the successful preparation of MoS₂ nanosheets. The as-prepared MoS₂ nanosheets are rich in unsaturated sulfur atoms, probably resulting from the dislocation cores of the MoS₂ nanosheets, which have been found to be beneficial for hydrogen evolution reaction catalysis. The method and growth mechanism adopted in this study may be applied to other transition metal dichalogenides for similar structures. The facile and green method provides an alternative for the preparation of MoS₂ nanosheets.     

单个MoS2纳米片氢析出催化特性研究

MoS₂作为高效的电催化氢析出(HER)催化剂已有大量文献报道. 实验和DFT计算结果都表明MoS₂的高氢析出活性来源于边缘,而其基面是催化惰性的。为了进一步验证此结论,本文利用巯基羧酸在恒电位下自组装单层修饰的纳/微米电极固定不同尺寸的单个纳米片状,对MoS₂氢析出催化活性与其尺寸的关系进行研究,发现纳米片状MoS₂具有较高的催化活性,同时较小尺寸的MoS₂氢析出活性更高,说明MoS₂的边缘的增多对其催化活性有巨大提升,即证明了边缘部分具有更高的氢析出催化活性.     

单层MoS2在合金化及应力调控下光催化裂解水产氢的理论研究

基于密度泛函的第一性能原理计算方法研究了单层MoS_2分别与MoSe_2、MoTe_2、WS_2进行合金化,以及加入2%应力条件下,对光催化裂解水性能的影响。计算结果表明,单层MoS_2通过与MoSe_2、MoTe_2、MoWS_2进行合金化,并施加压应力两种手段进行调控,可使带隙变大的同时,提高CBM(conduction band minimum)带边位置,从而提高光催化分解水的效率。通过能带和态密度的计算表明,合金元素原子形成的不是孤立能级而是能带,对载流子寿命影响小。