Adv. Mater. 无贵金属的复合膜用于高效析氢反应

【引言】

电催化水分解是目前可行的取代传统制氢方法，在能源产能领域有十分重大的影响。虽然贵金属铂(Pt)对析氢反应具有最高效的电催化效率，但是其价格昂贵以及铂资源储量的问题严重限制了它的广泛应用。因此发展无贵金属的高效稳定析氢反应催化剂用于替代铂基催化剂，是迫切需求同时也面临巨大挑战的一项工作。

【成果简介】

到目前为止，通常研究的替代Pt的析氢反应催化剂大多是过渡金属硫化物（TMDCs），但是由于其半导体特性这些硫化物的固有电导率和析氢反应催化性能都不是很高。近日，宾夕法尼亚州立大学Mauricio Terrones教授和清华大学吕瑞涛教授在Advanced Materials上发文，题为“Noble-Metal-Free Hybrid Membranes for Highly Efficient Hydrogen Evolution”，他们制备了新型纳米结构的WS₂/WO_2.9/C无支撑柔性复合膜，该复合膜的催化性能卓越，具有极低的塔菲尔斜率，仅为36 mV dec⁻¹，起始电压也较低，为20mV。这种催化剂超过了绝大多数的TDMCs。

【图文导读】

图一：WS₂/WO_2.9/C复合膜制备与表征

a)柔性WS₂/WO_2.9/C复合膜的制备过程

b)50μm厚的WS₂/WO_2.9/C复合膜照片

c)扫描电子显微镜（SEM）照片

d)高角度暗场像（HAADF）扫描透射电子显微镜（STEM）照片

e-h) WS₂/WO_2.9/C复合膜能量色散谱（EDS）元素图谱：e)W; f)S; g)O; h)C

图二：WS₂/WO_2.9/C复合膜结构与物相表征

a)WS₂/WO_2.9/C复合膜的高分辨率透射电子显微镜照片

b)WO_2.9纳米线原子序数衬度元素图谱的高角度暗场像

c-e) WO_2.9纳米线元素均匀分布：c)W分布；d)O分布；e)没有S存在

f) WS₂/WO_2.9/C复合膜的XRD图

g) WS₂/WO_2.9/C复合膜的拉曼光谱

h,i) WS₂/WO_2.9/C复合膜的X射线光电子能谱：h) W4f; i) S2p

图三：不同样品的电催化性能

a)不同催化剂的析氢反应极化曲线

b)不同催化剂的塔菲尔曲线

c)不同样品的电化学阻抗谱（奈奎斯特图）

d)WS₂/WO_2.9/C复合膜在1000次及10000次循环后的极化曲线

图四：WS₂/WO_2.9/C复合膜模拟计算

a)WS₂单层的俯视和侧视图，可能的S空位用红色圆圈标出

b)WO_2.9（100）表面俯视图，三种可能的吸附位点

c)WS₂和WO_2.9（100）表面不同吸附位点对于析氢反应的自由能

【总结】

研究人员合成了新型WS₂/WO_2.9/C复合膜，这种材料可以用于电催化析氢反应的自支撑电极，依靠WS₂和WO_2.9的协同效应以及电子在C中的快速传输，这种复合膜表现出优异的析氢反应催化性能，低的起始电压，小的塔菲尔斜率以及良好的循环稳定性，WS₂/WO_2.9/C复合膜的塔菲尔斜率是已知的TDMCs析氢反应催化剂中最低的。这种复合膜也可以用于超级电容器，锂离子电池以及异相催化中。

文献链接：Noble-Metal-Free Hybrid Membranes for Highly Efficient Hydrogen Evolution（Adv. Mater. 2016,DOI: 10.1002/adma.201603617）

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