清华大学张强教授Adv. Mater.：三维介孔范德华异质结用于电催化

smilezengsha 6年前 (2017-12-16) 4932浏览

【引言】

二维材料范德华异质结的出现为基础科学和技术应用开辟了新视野。这种基于层间范德华力作用的杂化结构可以有效地实现组分性能互补、层间电荷转移、界面电阻降低，从而大幅提高二维材料的性能和应用，特别是在能源电催化领域。目前，范德华异质结主要通过液相的层层自组装或在平整基底上气相化学沉积获得，难以针对特定的应用需求对材料的物理化学性质进行调控。因此，迫切需要发展材料设计的理念和高效合成的手段，以实现先进范德华异质结的可控构建，从而全面优化其本征催化活性和外在理化特征，提高电催化应用性能。

【成果简介】

近日，清华大学张强教授团队和中科院金属所张炳森教授合作，在Adv. Mater.上发表最新研究成果 “3D Mesoporous van der Waals Heterostructures for Trifunctional Energy Electrocatalysis”。在该文中，研究者通过两步的化学气相沉积法（CVD）制备了三维介孔的石墨烯/氮掺杂硫化钼范德华异质结（G@N-MoS2）。研究以介孔氧化镁为模板，首先以甲烷为碳源CVD一层介孔石墨烯骨架，继而引入Mo/S/N源在石墨烯骨架上原位生长氮掺杂硫化钼纳米片，形成层间范德华异质结，同时复型了氧化镁的三维介孔结构。这一材料设计和合成思路，不仅可以有效地对各组分进行物理结构和电子结构的调控（三维介孔/掺杂），而且能够构筑界面强耦合的杂化材料（范德华异质结）。由于其特殊的结构和电子调控，G@N-MoS2表现出高效的三功能电催化性能， N-MoS2侧的氢析出（HER）活性显著提升，而石墨烯侧的氧还原（ORR）和氧析出（OER）活性也大幅增强。该材料的设计理念与合成方法学为二维材料和能源电催化的研究提供了新的思路和启发。该研究工作的作者依次为唐城、钟玲、张炳森、王浩帆和张强（通讯作者）。

【图文导读】

图1 三维介孔G@N-MoS2范德华异质结的制备流程示意图

（a）两步CVD法生成G@N-MoS2，首先以多孔氧化镁为模板高温生长介孔石墨烯，然后低温原位沉积N-MoS2；

（b）含有氮掺杂和拓扑弯曲的G@N-MoS2范德华异质结示意图。

图2 三维介孔G@N-MoS2范德华异质结的形貌与结构表征

（a）SEM图；

（b）HAADF-STEM图；

（c-g）HRTEM图，其中图e与f证实了石墨烯与N-MoS2三维范德华异质结的存在，图g显示了N-MoS2的边缘与缺陷；

（h）元素mapping。

图3 三维介孔G@N-MoS2范德华异质结的化学组分分析

（a）XRD图谱；

（b）Raman谱图；

（c）Mo 3p3/2与N 1s的XPS图。

图4 三维介孔G@N-MoS2范德华异质结的HER性能表征

（a）不同催化剂HER极化曲线；

（b）HER Tafel曲线；

（c）CV循环1000次前后G@N-MoS2极化曲线；

（d）200 mV过电位下的EIS Nyquist曲线；

（e）不同样品的双电层电容Cdl；

（f）HER催化活性（Tafel斜率、10mA cm-2过电位）与材料属性（双电层电容、电荷传输电阻）的关系。

图5 三维介孔G@N-MoS2范德华异质结的三功能电催化性能

（a）N2饱和0.10 M KOH中HER极化曲线；

（b）O2饱和0.10 M KOH中ORR极化曲线；

（c）O2饱和0.10 M KOH中OER极化曲线;

（d）G@N-MoS2异质结层间电子转移效应对ORR/OER/HER催化活性的影响。

【小结】

研究者利用两步化学气相沉积法构筑了三维介孔石墨烯与氮掺杂硫化钼范德华异质结，其中超薄N-MoS2纳米片沿着预先沉积的石墨烯骨架局部弯曲并紧密结合，形成层间范德华异质结和三维介孔骨架。这一巧妙的结构设计可以对二维材料的形貌、边缘、缺陷、界面、电子结构等实现多尺度的调控优化，从而提升其催化性能。基于这一结构设计理念和材料合成思路，进一步优化组成、调控结构，可实现其催化活性最优化。该研究工作为发展先进纳米材料提供了新的思路，同时也将推动二维材料的设计优化，有望在能源电催化等诸多领域产生重要的影响。

文献链接：3D Mesoporous van der Waals Heterostructures for Trifunctional Energy Electrocatalysis，(Adv. Mater., 2017, DOI: 10.1002/adma.201705110)

本文由材料人新能源小组 曾沙 供稿。

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