二硒化钼的掺杂与晶相控制及其电催化析氢性能研究

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过渡金属硫属化物在地壳中储量大,同时具有较高的HER(Hydrogen evolution reaction)催化活性,因此成为析氢阴极催化剂研究的热点。研究表明,过渡金属硫属化物的催化活性与其暴露出的边缘活性位点的数目直接相关。其中Mo Se2(硒化钼)具有优良的金属性和不同的晶相结构,因此受到了研究者们的重视。一般而言Mo Se2的HER催化活性取决于其暴露的边缘活性位点数目和本征导电能力。理论计算表明可以通过化学掺杂和晶相调整手段增加Mo Se2的催化位点数目,因此在制备过程中我们可以通过掺杂和晶相控制等手段提升催化HER性能。本论文采用水热法制备出P掺杂的含有2H和1T复合相的Mo Se2。然后通过溶剂热法制备了P掺杂的碳基底负载的2H/3R复合相Mo Se2催化剂。对这些材料的HER催化性能进行了深入的研究,主要制备方法和研究方法如下:1.实验一中通过简便的方法合成了具有2H/1T异相的磷掺杂Mo Se2。结合实验和计算数据,测得了掺杂的P(?0.83 wt%)不仅使得Mo Se2的2H相转变为1T相,而且激活了面内Se原子的催化活性,从而显着增强了其固有的HER催化性能。在标准电流密度为10 m A cm-2时,P-1T/2H-Mo Se2(P掺杂2H/1T异相Mo Se2)的Tafel斜率为51 m V dec-1,所需要的过电位仅为174 m V。更重要的是,P-1T/2H-Mo Se2在180 m V的恒定电压下连续工作10小时后,仍表现出10.43m A cm-2的高电流密度,并保持其原始的2H/1T异质结构,显示出优异的电化学和结构稳定性。这项工作提供了一种通过非金属掺杂提高Mo Se2固有HER活性的简便方法,有助于更深层次了解Mo Se2的HER催化机理。2.实验二中通过在P掺杂碳基上利用电子诱导效应成功合成了具有2H/3R异相的Mo Se2纳米片。大量的缺陷被引入到Mo Se2的片层平面内,并且由于P掺杂碳基的存在使得硒化钼(002)晶面间距扩大,进而增加活性位点的数量和加速电子传输和传质过程。由于具有这些优良的结构特点,所获得的异质结构显示出优异的HER催化活性和稳定性,在10 m A cm-2的电流密度下需要的过电位仅仅为164 m V,而Tafel斜率更小,为44 m V dec-1。即使经过10小时的测试,HER性能仍然稳定,显示出优良的电化学稳定性和结构稳定性。这种用于调控合成2H/3R过渡金属硫属元素化物(TMD)的简便方法可以扩展到其他TMD。总之,本论文通过控制Mo Se2的相结构制备了2H/1T复合相Mo Se2,以及2H/3R相结构的Mo Se2。经过电化学性能测试后,所制备的催化剂表现出良好的催化性。表明含有复合相的Mo Se2相比于纯2H相结构的催化性能更加优异。综合而言,1T相和3R相结构的HER催化性能要优于2H相结构。除此以外,由于过渡金属硫属化合物具有和硒化钼类似的结构,因此我们的研究也可以表明通过晶相控制手段提升材料的HER性能的方法也适用于其他二维层状材料。
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