科研动态

电催化活性位点原位屏蔽测试法揭示双核协同催化制氢机理

来源: 时间:2021-07-21

  省科学院测试分析所(中国广州分析测试中心)新技术实验室光电功能材料与器件研究团队(下称光电团队)在电催化原位表征研究方面取得突破,开发出一种新型电催化原位屏蔽测试方法用于探测催化剂活性位点,并揭示了双核协同催化制氢机理。

  近年来,二硫化钼(MoS2)因其低成本、丰度高、结构可调控等优点而备受关注,被认为是一种很有潜力的下一代电化学析氢催化剂材料。然而,MoS2的活性位点少的问题极大地限制了其催化性能,为此首先需确定催化剂中的活性位点,进而有针对性的创建更多催化活性位点。而如何鉴别电催化中的活性位点则成为首要解决的技术问题,也是电催化行业中面临的共性难题和挑战。

  图 Ni2Mo6S6O2/MoS2原位屏蔽测试结果与Ni2Mo6S6O2分子结构示意图

  针对以上问题,光电团队开发了一种原位屏蔽测试法,研究发现特定的屏蔽剂可原位选择性地屏蔽催化剂中的特定位点,通过分析屏蔽后的催化剂性能,可判断具体的活性位点。光电团队通过大量的探索性筛选实验发现,硫氰化钾(KSCN)和过氧化氢(H2O2)可分别作为镍(Ni)和钼(Mo)的原位选择性屏蔽剂。利用所开发的原位屏蔽方法,对团队最近开发的Ni2Mo6S6O2/MoS2复杂体系进行了测试,结果表明Ni和Mo均为催化析氢活性位点。进一步的DFT理论分析表明,Ni、Mo在催化析氢过程中形成独特的双核协同催化效应,是Ni2Mo6S6O2/MoS2性能提升的重要原因。电催化性能测试结果显示,这种新型Ni2Mo6S6O2/MoS2催化剂在10 mA cm-2电流密度下的过电位为90 mV,析氢性能相比于MoS2大幅提高。稳定性测试表明,催化剂可以在250 mA cm-2电流密度下产氢,24小时内活性没有下降。

  该原位屏蔽测试法是首次应用于电催化领域,为催化剂活性位点的鉴别提供了一种简单易行的表征方法,对揭示电催化反应机理和催化剂的定向设计和优化具有重要的意义。

  相关成果发表于工程技术类权威期刊《Chemical Engineering Journal》。测试分析所(中广测)为第一和通讯作者单位,上述工作得到了国家自然科学基金,博士后创新人才支持计划项目和广东省科学院建设国内一流研究机构行动专项资金项目的支持。

  此前,光电团队已针对MoS2导电性差的问题,设计合成了CoMo2S4有效降低了MoS2的电阻率,相关工作发表在期刊《Advanced Functional Materials》。

  论文信息:

  [1] Cheng, H., Diao, Y., Liu, Q., Wei, L., Li, X., Chen, J., & Wang, F. (2021). Di-nuclear metal synergistic catalysis: Ni2Mo6S6O2/MoS2 two-dimensional nanosheets for hydrogen evolution reaction. Chemical Engineering Journal, 131084.

  [2] Cheng, H., Liu, Q., Diao, Y., Wei, L., Chen, J., & Wang, F. (2021). CoMo2S4 with Superior Conductivity for Electrocatalytic Hydrogen Evolution: Elucidating the Key Role of Co. Advanced Functional Materials, 2103732.

  论文链接:

  [1] https://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S1385894721026668

  [2] https://onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1002/adfm.202103732

  (省科学院测试分析所 成晖、汪福宪/撰稿)

附件下载: