我院杜明亮教授团队在高效制氢催化材料研究中取得进展

编辑: 化学与材料工程学院  来源:   发布日期:2018-05-18

近日,化工学院杜明亮教授团队与北京大学郭少军教授、同济大学高国华副教授等合作,在材料领域顶级期刊Advanced Materials (IF:19.791 )发表题为“Atomic-Scale Core/Shell Structure Engineering Induces Precise Tensile Strain to Boost Hydrogen Evolution Catalysis”的研究论文(Adv. Mater., 2018, 30, 1707301),该论文第一作者为我院青年教师朱罕副研究员。

研究团队以纳米纤维为反应器,在碳纳米纤维中构建二元过渡金属硫化物核壳结构,通过调控核壳结构中壳层厚度来调节表面拉伸应力,进而大幅提升催化剂的析氢反应活性。

图1不同层数核壳纳米晶的原子结构表征

发展绿色可持续氢能是解决环境问题和减少对化石燃料过分依赖的最有前途的方法,电催化制氢需要高效且稳定的电催化剂。因此,研究和开发低成本、高效率和高稳定性的电解水催化材料具有重要意义。研究团队在以往研究基础上(Adv. Mater., 2015, 27, 4752-4759;Energy Environ. Sci., 2017, 10, 321-330;Small, 2017, 13, 1700468)提出了调控异质结构应力应变来提高催化活性的新策略,晶体中的拉伸应力效应是通过压缩或扩大纳米结构来产生表面层的原子重新排列,原子尺度上的应变效应可以导致晶格参数的变化,并改变固有的原子间距离并修改键合电子的能级。研究团队利用异质外延生长的方法在纳米纤维反应器中构建Co9S8/MoS2核壳结构,进而产生表面应力应变,通过精细控制MoS2壳层数(MoS2壳层从5变为1)来改变应力应变大小,可以实现核壳纳米晶体的拉伸表面应变从3.5%调节至0%,其中Co9S8/1L MoS2(应变3.5%)表现出最佳的HER性能,过电位仅为97 mV(10 mA cm-2),Tafel斜率为71 mV dec-1。密度泛函理论计算(DFT)显示Co9S8/ 1L MoS2核壳纳米结构产生-1.03 eV的最低氢吸附能(ΔEH)和0.29 eV的过渡态能垒(ΔE2H*)。

该研究首次揭示了二元过渡金属硫化物核壳结构中的应力应变与电化学性能之间的关系,为多组分高效析氢电催化剂的合理设计具有较好的指导作用。该研究得到国家自然科学基金面上项目、合成与生物胶体重点实验室、一流学科团队等项目的资助。论文链接:https://onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1002/adma.201707301.

2 研究论文的封面图