2017年12月4日 by MaterialsViews編輯部
原題目：適用于HER, OER, ORR及鋅-空氣電池的多功能Mo–N/C@MoS2 電催化劑
氫燃料電池技術(shù)對(duì)電動(dòng)汽車(chē)等發(fā)展有著革命性的影響。但燃料電池的大規(guī)模應(yīng)用一方面需要廉價(jià)、高效的電催化劑；另一方面需要解決高品質(zhì)氫氣（H2）燃料的供應(yīng)問(wèn)題。眾所周知，H2可以通過(guò)水分解產(chǎn)生，但是，水具有較高的穩(wěn)定性，需要高效的電催化劑來(lái)驅(qū)動(dòng)電解池陰極處的析氫反應(yīng)（HER）以及陽(yáng)極處的析氧反應(yīng)(OER)。此外，可充放的全固態(tài)鋅-空氣電池（ZABs）由于具有理論能量密度高（高達(dá)?1086 Wh?kgZn-1）和結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單的優(yōu)點(diǎn)，對(duì)未來(lái)的柔性和可穿戴電子設(shè)備的應(yīng)用和發(fā)展將具有重大的推動(dòng)作用。但是，空氣電極側(cè)緩慢的ORR/OER動(dòng)力學(xué)嚴(yán)重阻礙了ZABs的實(shí)際應(yīng)用及發(fā)展。當(dāng)前，貴金屬(如Pt，Rh，Ir等)基電催化劑雖然對(duì)HER，ORR或OER表現(xiàn)出較高的催化活性，但高昂的價(jià)格、資源極度匱乏及穩(wěn)定性差等缺點(diǎn)導(dǎo)致其難以被實(shí)際應(yīng)用。因此，迫切需要找到具有較高活性、穩(wěn)定性且價(jià)格低廉的HER，ORR和OER非貴金屬電催化劑來(lái)滿(mǎn)足日益增長(zhǎng)的新能源器件/裝置的發(fā)展需求。為此，人們紛紛開(kāi)展了相關(guān)非貴金屬催化劑的研究，并取得了積極的進(jìn)展。其中，基于過(guò)渡金屬-氮-碳（M-N-C）體系的石墨烯等二維材料、過(guò)渡金屬二硫化物(MoS2) 二維材料和金屬-有機(jī)框架碳化復(fù)合材料等因具有成本低和催化活性高的優(yōu)勢(shì)獲得了人們的廣泛的關(guān)注。但通過(guò)綜合考慮上述催化劑的優(yōu)勢(shì)，并引入Mo-N等新的界面耦合活性中心，從而設(shè)計(jì)和構(gòu)筑出具有三效催化劑活性位點(diǎn)和對(duì)HER、ORR、OER均表現(xiàn)出高的催化活性的多功能電催化劑仍鮮有報(bào)道。
近日，武漢理工大學(xué)木士春教授課題組設(shè)計(jì)并構(gòu)筑了由二維（2D）MoS2納米片垂直包覆MOF衍生的三維（3D）類(lèi)石墨烯N/C異質(zhì)結(jié)構(gòu)電催化劑。值得指出的是，該催化劑出現(xiàn)了新的相，即Mo-N界面相。Mo-N界面耦合活性中心的形成得益于Mo與類(lèi)石墨烯粒子在N/C框架表面發(fā)生催化反應(yīng)。所得的Mo-N/C@MoS2催化劑可具有三相活性位點(diǎn)（MoS2邊緣活性中心、Mo-N界面耦合活性中心、N-C活性中心），使其作為多功能電催化劑成為可能。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，Mo-N/C@MoS2電催化劑在析氫反應(yīng)（HER，ηj=10 ～117 mV）、析氧反應(yīng)（OER，ηj=10 ～0.39 V）以及氧還原反應(yīng)（ORR，E1/2 ～0.81 V）中表現(xiàn)出高的電催化活性和穩(wěn)定性，是一種高效的多功能電催化劑。有趣的是，將該催化劑用作鋅空電池陰極催化劑時(shí)，在5mA毫安電流密度下的效率達(dá)到了63.9%，在可充放電的全固態(tài)鋅空電池中的開(kāi)路電壓達(dá)到了1.34V。電池的能量密度高達(dá)846.07 Wh kgZn–1，為理論能量密度的77.9%。Mo-N/C@MoS2優(yōu)異的多功能電催化性能應(yīng)歸因于各化學(xué)組分間的協(xié)同效應(yīng)和獨(dú)特的三相活性位點(diǎn)，其中MoS2納米片邊緣裸露的活性位點(diǎn)、Mo-N界面耦合中心的活性位點(diǎn)及N / C框架中鄰近碳原子的N誘導(dǎo)活性位點(diǎn)均發(fā)揮了重要的作用；此外，分層孔隙結(jié)構(gòu)和高比表面積提升了擴(kuò)散和質(zhì)量傳輸能力，也是電催化劑性能提高一個(gè)重要原因。通過(guò)DFT理論計(jì)算進(jìn)一步表明，Mo-N是最佳的活性位點(diǎn)，對(duì)Mo-N/C@MoS2的催化性能有著非常重要的影響。因此，該工作有望為快速發(fā)展的多功能性電催化劑和電化學(xué)能源器件的研究和開(kāi)發(fā)提供新的材料設(shè)計(jì)方向。相關(guān)文章在線(xiàn)發(fā)表在http://onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1002/adfm.201702300/full上。