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高效析氢催化电极研究方面取得进展

发布时间:2016-11-22 栏目类别:研究进展

  

在国家自然科学基金和清华大学自主科研计划的资助下,清华大学材料学院吕瑞涛研究组在基于二维材料的电催化析氢研究方面取得重要进展,相关结果于2016年11月28日发表在材料领域著名期刊《Advanced Materials》(先进材料,影响因子18.960)上。

近年来的研究发现,过渡金属硫化物(如MoS2和WS2)和氢的结合能与贵金属相近,催化活性较好,而且价格低储量丰富,是一类非常理想的低成本析氢催化材料。但是,块体的过渡金属硫化物的催化活性较低,这是由其独特的晶体结构导致的。这种材料晶体结构与石墨类似,由二维原子层堆叠而成。具有催化活性的是其晶体棱面上的边缘硫空位,而片层中心的基面位点的催化活性很差。此外,MoS2和WS2都属于半导体,导电性较差。这些都制约了过渡金属硫化物在电催化析氢方面的应用。

为了解决这些问题,材料学院吕瑞涛团队结合缺陷调控设计制备出一种具有自支撑结构的“WS2/WO2.9/C”复合薄膜用作高性能的电催化析氢电极。他们采用简单的旋涂和热处理工艺,在石墨纸上制备了这种薄膜材料。该薄膜由镶嵌在导电碳基底中的WS2纳米片和WO2.9纳米线复合而成。镶嵌结构使得具有催化活性的WS2纳米片边缘位暴露在薄膜表面,并且降低了接触电阻。由于在热处理工艺中引入了微量氧气,形成了具有金属性的WO2.9纳米线,而且WS2/WO2.9的异质结进一步增强了导电性。此外,通过在WS2片层中心的基面引入硫空位,大大提升了催化活性。由于WS2和WO2.9的协同作用,“WS2/WO2.9/C”复合薄膜具有优异的析氢催化活性:析氢过电位达到20 mV,Tafel斜率达到36 mV/dec,已经非常接近于Pt/C电极的性能。与目前大部分研究中制备的粉末催化剂不同的是,这种薄膜由于生长在柔性导电的石墨纸基底表面,可以直接用作析氢催化电极,避免了高分子粘结剂导致的界面电阻,具有更优异的催化性能,对于高效析氢催化电极的开发具有重要的意义。

相关结果已在线发表于Advanced Materials(DOI: 10.1002/adma.201603617)上,论文第一作者为材料学院硕士生王旭阳,通讯作者为我院助理教授吕瑞涛博士,清华大学材料学院为第一完成单位,美国宾夕法尼亚州立大学物理系Mauricio Terrones教授为该论文共同通讯作者。

附:

1.  期刊原文链接:http://dx.doi.org/10.1002/adma.201603617

2.  相关媒体报道:http://www.x-mol.com/news/4118

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