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二硫化钨(WS2)核壳型纳米球结构对电学及化学性能提升作用
发布时间:2021-04-07     作者:zzj   分享到:

过渡金属硫化物(TMDs)因其可调控的禁带宽度、接近零的析氢吉布斯自由能以及高性价比等特点被认为是替代铂/铱等贵金属成为下一代析氢反应电催化剂的不二之选。然而,TMDs电催化析氢性能主要受限于以下三个方面:

一,天然稀疏的催化位点;

二,其自身较差的导电性以及其与基底较弱的电学接触性;

三,传统二维材料叠片式的纳米结构会封闭绝大多数的层间催化位点。

一种钨(W)@二硫化钨(WS2)核壳型纳米球结构;揭示了该结构对于WS2电学及化学性能提升的机理;通过微结构设计使得WS2的电催化析氢性能超过了大多数同类材料。

要点一:高度弯曲二硫化钨纳米片使其产生更多的催化位点

该研究发现,通过高度弯曲WS2纳米片可使其层间距大幅度拓宽,从而引发强烈的晶格形变,进而暴露出更多的原子空位及缺陷。

通过引入多功能的核壳型纳米球结构,WS2纳米片可逐层生长在金属钨内核上,该核壳结构能够在强酸环境中保证纳米片长期稳定的弯曲效应。在一步式激光辅助法的制备过程中通过调控金属内核的尺寸来控制纳米片弯曲的曲率。值得注意的是,仅通过宏观手段无法实现该研究中10-2nm-1级的曲率。

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要点二:核壳结构可大幅提升二硫化钨的电学特性

除了作为WS2纳米片弯曲生长的基底外,金属钨内核使得催化剂的导电率提升了4.5倍。在纳米球壳基面上,氢与硫(H-S)以及氢与钨(H-W)结合的吉布斯自由能分别为0.357eV-0.145eV

相较于平整的W@WS2异质结构(H-S:0.857eVH-W-0.437eV),氢在弯曲球壳上的结合更接近平衡态能量。

此外,WS2球壳上的W位点展现出了较强的催化活性。该研究还发现,微结构设计有助于调控氢吸附结构、异质界面结构以及费米能级附近的态密度,进而实现更快速高效的氢释放与电子吸附。

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要点三:纳米球团聚型纳米多孔结构

该研究提出的纳米球团聚型纳米多孔范德华异质结构可解决传统纳米片堆叠所造成的离子嵌入通道封闭的挑战。核壳型纳米球的引入使得二维材料立体化,进而构建出了拥有高电化学表面积的TMDs

实验表明,该催化剂的反应电位为161mV10 mA/cm2时),其在强酸电解液中反应时有着出色的稳定性(持续100 h)以及同类材料中较小的Tafel斜率(34.5 mV/dec)和较大的电化学反应面积(62.2 mF/cm2)。

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以上内容来自齐岳小编zzj 2021.4.7

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