清华大学徐建鸿教授课题组：少层二硫化钼纳米片的连续可控制备与高效电催化析氢性能

Original GEE 绿色能源与环境GEE 2022-10-23

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作为最有希望的替代燃料之一，氢能被寄予厚望。电解水被认为是最清洁和最有效的制氢方法，然而目前其制氢成本较高，有待于开发高效电催化剂。二硫化钼(MoS₂)具有较高的催化活性和较低的催化成本，被认为是最有发展前景的催化剂之一。它的连续生产和高效制备成为未来工业生产的关键问题。在这项工作中，清华大学化工系徐建鸿教授课题组开发了一种高传热传质速率的连续微反应方法来合成具有丰富活性位点的MoS₂纳米片。有缺陷的MoS₂纳米片表现出优异的HER性能，在电流密度为10 mA cm^-²时，其过电位为260 mV, Tafel斜率小(53.6 mV dec^-¹)，耐久性突出，可与大多数报道的MoS₂基催化剂相媲美，本文提出的微反应连续可控制备方法为合成各种纳米二维材料开辟了一条新的途径。文章以“Continuous synthesis of few-layer MoS₂ with highly electrocatalytic hydrogen evolution”为题，发表在Green Energy & Environment，扫描二维码或点击文末“阅读原文”免费获取全文。

背景介绍

对二硫化钼而言，其催化活性主要来源于二硫化钼的边缘，而基体是惰性的，这一点已被计算结果和实验结果所证实。因此，它的活性可以通过增加暴露的边缘位点来增强，研究者们致力于制备具有高暴露边缘位点的纳米级MoS₂。片状的二硫化钼可以提供大量的活性位点，这些活性位点来自于高度暴露的边缘和不饱和的活性硫配体，因此具有很高的催化性能。以往的研究表明，二硫化钼的催化活性也与二硫化钼的层数密切相关。电子在垂直方向上的跳跃效率随层数的增加而增加，导致MoS₂的电导率较差。因此，制备少层片状MoS₂不仅增加了暴露的边缘位点，而且提高了MoS₂的导电性，是提高其催化性能的有效途径。近年来，微反应技术由于其传热传质速率高、产率高、过程可控等特点正成为制备纳米功能材料的热点，其应用领域包括纳米金属、纳米晶体、纳米陶瓷、纳米高分子与纳米复合材料等。本文基于微反应技术连续合成少层二硫化钼纳米片，创新合成方式的同时研究其结构与电催化析氢性能之间的构效关系，为新材料应用提供基础。

片状二硫化钼的合成

四水合七钼酸铵和PVP-40溶解在去离子水中作为钼源，硫脲和PVP-40溶解在去离子水中作为硫源。Mo溶液和S溶液分别通过两个平流泵泵入微反应装置。5分钟后，得到黑色的二硫化钼水溶液。反应温度维持在250 ℃，反应压力维持在5 mpa。得到的产物使用乙醇洗涤后，真空干燥。

图1. 基于微通道连续合成片状二硫化钼的装置示意图

片状二硫化钼的电催化析氢性能

通过TEM、SEM、XPS、XRD等结构分析确定合成产物为片状二硫化钼后，将其应用于电解水催化析氢过程。为了进行对比，采用同样原料、同样温度进行二硫化钼的间歇合成，并购买商用的二硫化钼。将这三种二硫化钼用于析氢电催化剂。结果表明，片状二硫化钼的起始过电位为168 mV，电流密度为10 mA cm^-2时过电位为260 mV，Tafel斜率为69.7 mV dec^-1，Cdl值为4.4 mF cm^-2，等效电阻值为93.81 Ω，具有较优的催化活性，并且经过5000次长达12小时的稳定性测试表明片状二硫化钼应用于电解水析氢的稳定性良好。

图2. 片状二硫化钼的SEM和TEM照片

图3. MoS₂的电化学性能测试：(a) MoS₂的极化曲线，(b) MoS₂的拟合Tafel方程，(c) p-MoS₂的Cdl拟合曲线，(d) MoS₂的Nyquist图，(e) p-MoS₂的稳定性测试，(f) p-MoS₂的电流密度与时间的相关性

表1. p-MoS₂与其他纯MoS₂的Tafel斜率及10 mA cm^-2的过电位对比

总结与展望

本文成功地基于微反应技术连续可控制备得到了少层二硫化钼纳米片，鉴于其暴露的活性位点更多及层间电子跃迁导电性的增强，片状二硫化钼应用于电解水制氢具有优异的催化性能。此外，这种新颖的制备方法也为二维材料合成开辟了一条新的途径，也为进一步设计基于二硫化钼的复合材料提供了良好的基础。

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https://doi.org/10.1016/j.gee.2020.04.008

通讯作者简介

徐建鸿

徐建鸿，清华大学教授，博士生导师。国家自然科学基金委优秀青年科学基金获得者（2013），教育部“长江学者奖励计划”青年学者（2016）。兼任Biomicrofluidics，Green Chem. Eng.，《化工学报》和《染料与染色》期刊编委/顾问编委。分别于2002年和2007年在清华大学化工系获工学学士和博士学位，2007~2009年在清华大学化工系进行博士后研究，2009年6月博士后出站留校工作，2012年7月至2013年6月在哈佛大学任访问学者。

主要研究方向是微化工过程与多相微流控技术，主要致力于多相微分散与传递过程基础及其工业应用研究。国家自然科学基金项目、重大国际合作项目和企业横向合作项目等20项；在 AIChE J., Chem. Eng. Sci., Adv. Funct. Mater., Small等本领域重要期刊上共发表学术论文 160 余篇。获授权中国发明专利20余件，多项研究成果实现工业应用转化。获2012年度国家技术发明二等奖（第5完成人）和2019年度中国化工学会科学技术奖基础研究成果一等奖（第1完成人）等国家/省部级科学技术奖8项；曾获全国优秀博士学位论文奖（2009）、中国石油和化学工业联合会“青年科技突出贡献奖”（2015）和“全国石油和化工行业优秀科技工作者”（2018）、中国化工学会 “侯德榜化工科技青年奖”（2014）、中国颗粒学会“青年颗粒学奖”（2016）和“赢创颗粒学创新奖”（2012）等荣誉；2012年入选英国皇家化学会首届 Lab on a Chip 新科学家（Lab on a Chip Emerging Investigator 2012），2017年入选美国化学会 Ind. Eng. Chem. Res. 首届“有影响力研究者”（2017 Class of Influential Researchers）。

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