Температурная кристаллизация нанофлексов MoS2 на графеновых нанолистах для электрокатализа

Фон

Двумерные (2D) гибридные материалы были изучены для использования в фотоэлектрических системах, разделении воды, датчиках, батареях и многих других приложениях, часто в форме гетеропереходов или трехмерных (3D) каркасов [1,2,3,4 , 5,6]. Благодаря своей уникальной 2D-структуре и настраиваемой ширине запрещенной зоны, 2D-гибридные материалы могут предложить как высокую удельную поверхность, так и подходящую работу выхода [1, 7,8,9,10]. Для большинства электрохимических применений, таких как сенсибилизированные красителем солнечные элементы (DSSC) и реакция выделения водорода (HER), чрезвычайно привлекательны высокая электронная проводимость и высокая окислительно-восстановительная способность гибридов дихалькогенидов переходных металлов (TMD) / графена. В этих гибридах графеновые нанолисты обладают высокой электронной проводимостью, механической прочностью [11, 12] и служат центрами роста для нанолистов TMD. Более ранние исследования показали, что гибридные структуры обладают повышенной каталитической активностью с более активными центрами [13].

По сравнению с традиционными каталитическими материалами на основе платины (Pt), 2D-гибридные материалы предлагают сопоставимые характеристики и гораздо более низкие производственные затраты, что демонстрирует их большой потенциал для замены Pt для коммерческого использования. До сих пор MoS ₂ Гибрид / графен был изучен как один из наиболее многообещающих вариантов из-за его превосходной электрокаталитической активности и уникальной 2D-структуры [3, 14, 15]. Хорошо известно, что низкая собственная проводимость ограничивает общие электрокаталитические характеристики чистого MoS ₂ [16,17] и что реакционная способность чистого графена относительно мала [18,19,20]. MoS ₂ Гибрид / графен сочетает в себе преимущества реакционной способности и проводимости двух составляющих материалов, что приводит к значительно улучшенным электрокаталитическим характеристикам [21, 22]. В гидротермальном процессе графеновые нанолисты также служат ядром кристаллизации MoS ₂ формирование для повышения производительности [23,24,25,26,27]. Поскольку и состав, и структура катализаторов влияют на реакционную способность материала, при разработке гибрида важно создавать больше активных центров и поддерживать высокую проводимость. Выбрав соответствующие методы для настройки связывания между двумя структурными компонентами, можно дополнительно оптимизировать итоговые каталитические характеристики.

Для создания гибрида были исследованы многие подходы и сопоставлены их преимущества. Группа Дая подготовила гетеропереход MoS ₂ и графен посредством гидротермальной реакции в органических растворителях и исследовали кинетику каталитических реакций [12]. Zhang et al. изучал контролируемый рост MoS ₂ путем химического осаждения из паровой фазы на графен и подчеркнули влияние фактора покрытия [28]. В последние годы гидротермальные методы широко изучаются как недорогой и высокопроизводительный способ изготовления MoS ₂ / гибриды графена [12, 26, 29,30,31,32]. Предыдущие исследования показали, что кристаллизация чистого MoS ₂ может значительно измениться с разными температурами реакции, с аморфным MoS ₂ наносферы при низких температурах (120–150 ° C), подобный цветку MoS ₂ шары с высокими каталитическими характеристиками при средних температурах (160–240 ° C) и большие MoS ₂ наночастицы при высоких температурах (230–260 ° C) [33, 34]. Однако, когда зародыш кристаллизации меняется на графен, условие кристаллизации MoS ₂ не совсем понятен, и поэтому дальнейшее понимание условий кристаллизации необходимо для оптимизации каталитической активности материала. В этой работе мы сообщаем о простом гидротермальном методе подготовки MoS ₂ наночешки, выращенные на графеновых нанолистах при различных средних температурах. MoS ₂ кристаллизацию на графеновых нанолистах можно четко идентифицировать с помощью различных методов определения характеристик кристаллов, а влияние кристаллизации на результирующие каталитические характеристики изучается с помощью характеристик DSSC и реакционной способности HER.

Методы

Подготовка материалов и их характеристика

Различный MoS ₂ Гибриды / графен были получены гидротермальным методом (подробности во вспомогательной информации). Сначала из оксида графита в атмосфере аргона были приготовлены нанолисты оксида графена, расслоенные микроволновым излучением (MEGO), с воздействием микроволн мощностью 900 Вт в течение 90 с [35]; этот процесс также восстановил оксид графена [25]. Затем 2,8 мг MEGO диспергировали в 20 мл деионизированной воды обработкой ультразвуком с последующим растворением 42 мг дигидрата молибдата натрия и 84 мг тиомочевины последовательно. К раствору добавляли избыток тиомочевины для дальнейшего снижения MEGO [3]. Затем суспензию переносили в автоклавы на 50 мл для гидротермальных реакций при температурах 150 ° C (MG-150), 180 ° C (MG-180), 210 ° C (MG-210) и 240 ° C (MG-240). ) в течение 24 часов. Наконец, полученные твердые вещества были отделены, промыты и высушены в вакууме при 70 ° C в течение ночи.

Структура полученных материалов изучалась с помощью автоэмиссионного сканирующего электронного микроскопа Hitachi (S-4800) (FE-SEM). Данные энергодисперсионной рентгеновской спектроскопии (EDS) были получены с использованием детектора Bruker на Hitachi S-4800. Система Hitachi (H 9000 NAR) использовалась для получения просвечивающего электронного микроскопа / просвечивающего электронного микроскопа высокого разрешения (TEM / HRTEM) и для изучения гибридного соединения MoS ₂ Гибрид / графен, полученный при 180 ° C. Рентгеновскую дифракцию (XRD) проводили с использованием рентгеновского дифрактометра Bruker D8 Discover. Рамановская спектроскопия проводилась на рамановском спектрометре Renishaw (Inc 1000B) с гелий-неоновым лазером (633 нм). Рентгеновская фотоэлектронная спектроскопия (XPS) изучалась с помощью VG ESCA 2000 с Mg, Kα в качестве источника рентгеновского излучения, а пики калиброваны с пиками C1s при 284,6 эВ.

Изготовление и тесты DSSC

Сначала стекла FTO последовательно очищали ацетоном, изопропиловым спиртом и деионизированной водой. Следуя более ранним публикациям [36], TiO ₂ Структура наночастиц была сформирована путем введения в действие коммерческого TiO ₂ пасту и постепенно нагревая до 500 ° C в течение 30 мин. После обработок субстраты переносили в 0,5 мМ этанольный раствор N719 и замачивали на 24 часа. Противоэлектроды также были изготовлены методом лопатки. Суспензия содержит 20 мг образца и 5 мкл Тритона × 100 в 500 мкл деионизированной воды. После нанесения покрытия электроды отжигали при 500 ° C в течение 30 мин в среде аргона. Противоэлектроды на основе Pt были изготовлены лопастью 0,01 M H ₂ PtCl ₆ раствор этанола с теми же шагами. Для сборки ячейки подготовленные противоэлектроды и фотоаноды были герметизированы коммерческой термопластичной герметизирующей пленкой, а затем в ячейку был введен коммерческий электролит.

J-V характеристика была проведена при моделировании одного солнечного освещения (AM 1.5G, 100 мВт / см ² , Newport, 94021A) с измерителем источника Keithley 2420. Система была откалибрована с помощью Si-ячейки сравнения (Oriel, P / N 91150V). Электрохимическая импедансная спектроскопия (EIS) DSSC была протестирована на частоте от 0,1 до 10 000 Гц при одном солнечном освещении. Потенциал был установлен на уровне 0,7 В, что примерно соответствует среднему напряжению холостого хода. Данные регистрировались электрохимической рабочей станцией CHI 760D.

Электрохимические измерения

Насыщенный электрод сравнения Ag / AgCl использовался во всех измерениях и был преобразован в шкалу обратимого водородного электрода (RHE) с помощью уравнения Нернста. Все измерения проводились в 0,5 M H ₂ SO ₄ водный раствор с помощью электрохимической станции CHI 760D. Испытания проводились в стандартной трехэлектродной стеклянной ячейке с платиновой проволокой в ​​качестве противоэлектрода и стеклоуглеродным электродом (GCE). Для изготовления GCE 5 мг материала смешивали с 50 мкл раствора этанола Nafion (5%) и 450 мкл деионизированной воды. Смесь была хорошо диспергирована, и 5 мкл суспензии было нанесено по каплям на стеклоуглеродный электрод диаметром 3 мм, а затем полностью высушено.

Вольтамперометрия с линейной разверткой (LSV) была протестирована в диапазоне от 0,2 до -0,8 В (по сравнению с Ag / AgCl) при 5 мВ / с; позже график Тафеля был рассчитан по LSV. Циклическую вольтамперометрию (CV) сканировали между -1 В и 1 В (по сравнению с Ag / AgCl) при 0,05 В / с. Спектроскопию электрохимического импеданса измеряли при частоте от 0,1 до 10 000 Гц при постоянном потенциале 0,5 мВ (по сравнению с Ag / AgCl). Стабильность оценивалась в течение 20 000 с при постоянном потенциале -0,5 В (по сравнению с Ag / AgCl).

Результаты и обсуждение

На рис. 1a – h показаны изображения FE-SEM MoS ₂ . структура, выращенная на поверхности графена. Перпендикулярно ориентированный, похожий на цветок MoS ₂ нано-хлопья наблюдались при всех температурах, и EDS доказала их равномерное покрытие (вспомогательная информация, дополнительный файл 1:рисунок S1). Как показано на рис. 1 a – d, размер MoS ₂ нанофлейки росли с увеличением температуры синтеза. Наблюдаемое при малом увеличении, как показано на рис. 1e – h, покрытие MoS ₂ наночастицы значительно больше, поскольку гибрид MG-240 начал терять послойную структуру и начал формировать наночастицы, в то время как гибрид MG-210 слабо сохранял слоистую структуру. Предыдущие исследования показали, что края нанолистов являются активными центрами каталитических реакций, предполагая, что края, дефекты и изгибы ответственны за высокие каталитические характеристики. Поэтому для большинства каталитических применений предпочтительна сильно разветвленная морфология [2, 37].

Морфология MoS _{2 /} гибриды графена. СЭМ изображения MoS _{2 /} гибриды графена при 150 ° C ( a , e ), 180 ° С ( b , f ), 210 ° C ( c , г ), 240 ° C ( д , ч ), а также изображения просвечивающего электронного микроскопа и просвечивающего электронного микроскопа MoS ₂ / гибрид графена при 180 ° C ( i , j ). вставка из ( j ) - соответствующий паттерн SAED, отмеченный пунктирной окружностью. Информация о решетке отмечена в ( j )

Чтобы получить более полное представление о MoS ₂ Были получены и проанализированы гибриды / графен, изображения ПЭМ и ВРЭМ. Использование гибридного образца MG-180 для изучения его ветвистой структуры, ламинарной структуры MoS ₂ (пересекающие черные полосы), нагруженного на поверхность графена (плоская серая область), как показано на рис. 1i. Если приблизить масштаб к центру рис. 1i, на изображении HRTEM отчетливо видны два разных типа кристаллов из-за их существенно разных периодов решетки (рис. 1j). Шаг решетки 0,65 нм хорошо совпадает с шагом решетки MoS ₂ на грани 2H – кристалл (002), а шаг решетки 0,23 нм близок к таковому для зигзагообразной щели цепи в однослойном графеновом нанолисте [38]. Многослойный MoS ₂ нанолисты пересекаются друг с другом на небольшой площади, что представляет собой образование небольших нано-чешуек и образование краев и дефектов. Бесшовное сшивание графенового нанолиста с MoS ₂ Нанолисты, отмеченные пунктирным кружком на рис. 1j, также были исследованы методом дифракции электронов в выбранной области (SAED). Несколько дифракционных колец могут быть хорошо привязаны к плоскостям 2H – MoS2, при этом дифракция графена практически не проявляется из-за небольшой доли графена и сильного фона из аморфного углерода. Тесный контакт двух типов кристаллов предполагает эффективный перенос электронов внутри гибрида. Сравнение изображений HRTEM и SAED всех четырех гибридов также показано в дополнительном файле 1:Рисунок S2. Кристаллизация значительно улучшается с повышением температуры.

Чтобы получить более глубокое понимание изменения кристаллизации при различных температурах реакции, спектры XRD и комбинационного рассеяния MoS ₂ / графеновые гибриды (рис. 2). В целом, свежеприготовленные гибриды показали 2H – MoS ₂ фаза. Плоская рентгенограмма от 10 ^o до 35 ^o MEGO был вызван укладкой нанолистов во время хранения. Для MG-150 MoS ₂ пики не были четко видны из-за ограниченного количества кристаллов на графеновых нанолистах. Когда температура повышалась, пики XRD становились более резкими, и наблюдался небольшой угловой сдвиг между 30 ^o и 55 ^o . Пики гибрида MG-180 выделяются из-за слабых пиков для (103) и (105) фазы 2H, уширенного и смещенного пика (100) и, что важно, дополнительного пика (006 + 104). Перестройка в кристаллах указывает на возможное существование 1Т-фазы [39]. Слабые сигналы от MG-150 свидетельствовали о плохом качестве кристаллизации и наличии значительных дефектов. Аналогичные тенденции также можно наблюдать в спектрах комбинационного рассеяния света (рис. 2б) с гелий-неоновым лазером, возбужденным на длине волны 633 нм. И MG-150, и MG-180 показали чрезвычайно слабый MoS ₂ . Рамановские сигнатуры, свидетельствующие о низком качестве кристаллизации. Интенсивность A _1g , E _2g ¹ , и E _1g пики увеличиваются с повышением температуры. Кроме того, внеплоскостная фононная мода Mo-S (A _1g ) предпочтительно возбуждается для перпендикулярной ориентации MoS ₂ с торцевым окончанием. нанолисты и высокая интенсивность A _1g Показанная в гибридах MG-210 и MG-240 указывает на перпендикулярно ориентированную структуру, сформированную на графеновых нанолистах [2]. Пики C происходят от продольной акустической моды второго порядка в точке M (2LA (M)) MoS ₂ Зона Бриллюэна, что свидетельствует об улучшении качества кристаллизации при высокой температуре [40]. Еще одно интересное наблюдение - повышенная интенсивность полосы от D до G (I _D / I _G ) графена с повышением температуры, как показано на рис. 2б. Это указывает на более сильное ван-дер-ваальсово взаимодействие между MoS ₂ нанолистов и графеновых нанолистов, которые улучшили режим дыхания гексагонального кольца графена.

Сравнение кристаллизации MoS ₂ / Гибриды графена. а Спектры XRD MoS ₂ Гибриды / графен, полученные при 150, 180, 210 и 240 ° C по сравнению с MEGO, ( b ) Рамановские спектры MoS ₂ / Гибриды графена и MEGO. 2H пики MoS ₂ помечены в шаблонах

Дополнительное исследование с использованием XPS (рис. 3) также подтвердило улучшение качества кристалла и фазового перехода с повышением температуры. Пики повышения резкости от MG-150 до MG-240 указывают на то, что кристалл улучшается от поли-состояния до кристаллизованного состояния. Кроме того, можно наблюдать постепенное смещение пиков Mo 3d от MG-180 к MG-240, а энергия связи MG-180 оказывается на ~ 0,63 эВ ниже, чем у MG-240. Это указывает на то, что возможные изменения кристаллической фазы от 1 T до 2H от 180 ° C до 240 ° C [39, 41]. Подробный расчет площади пика пиков Mo 3D показывает, что молярные отношения 2H к 1T варьируются от 4,84:1 (MG-150) до 3,01:1 (MG-180) и 13,7:1 (MG-210). Для MG-240 нельзя деконволютировать пики 1T. Положение пиков MG-150 близко к положению пиков MG-210, что можно объяснить широкими пиками с большим количеством дефектов решетки, причем более важную роль играет слабоорганизованная структура. Основываясь на данных XRD и комбинационного рассеяния, качество кристаллизации и фазовый переход являются двумя заметными эффектами изменения температуры при гидротермальном приготовлении MoS ₂ / гибриды графена.

Анализ связывания MoS ₂ / Гибриды графена. XPS-спектры MoS ₂ / гибриды графена, полученные при 150, 180, 210 и 240 ° C, с ( a ) фокусирует Mo 3d-орбиты и ( b ) показывает орбиты S 2p

Предыдущие исследования показали, что дефекты кристаллов могут увеличить скорость каталитической реакции, а 1 тл фазы MoS ₂ всегда предпочтительнее. Однако значительно более низкое качество кристаллов приводит к ухудшению переноса заряда и снижению каталитических характеристик [17, 42]. Чтобы уравновесить эти факторы, необходимо определить оптимальную температуру. Дополнительно 1Т этап MoS ₂ как известно, демонстрирует ограниченную стабильность в окружающей среде [39, 41, 43], поэтому его доля в гибридах ниже, чем в фазе 2H для различных температур приготовления, по данным XPS-расчетов. Оптимизируя температуру, можно определить оптимальную долю фазы 1T этим простым гидротермальным методом. В более ранних исследованиях также сообщалось о механизме MoS ₂ образование, и здесь применимы анализы [12, 44]. Во-первых, тиомочевина диссоциирует на свободные тиоловые группы и аминогруппы, восстанавливает Мо (IV) и частично восстанавливает ГО. Во-вторых, свободные радикалы, адсорбированные на восстановленной поверхности GO, начинают образовывать MoS ₂ кристаллы вдоль грани (002) по результатам ПЭМВР; дефекты легче образуются при низкой температуре из-за более медленной химической кинетики, которая подвергает свободный Mo или S воздействию окружающей среды. Расчеты теории функционала плотности (DFT) показывают, что реакции восстановления имеют тенденцию происходить больше вдоль границ зерен Mo-Mo, чем точечные дефекты в решетке [45], а границы зерен Mo-Mo более распространены в низкотемпературных приготовленных богатых дефектами гибридах.

Важность 1Т фазы MoS ₂ для каталитических реакций был изучен также для чистых 2D кристаллов. Ранее расчеты DFT предполагали, что 1T – MoS ₂ проявляет металлические свойства и имеет значительно более высокую каталитическую активность по сравнению с полупроводником 2H – MoS ₂ [39, 41, 46]. Исследования также указывают на сильную зависимость образования кристаллов от температуры [47]. Чистый 1T – MoS ₂ Нанолисты всегда готовятся путем химического расслоения щелочным металлом [39], чтобы получить более высокое соотношение 1Т-фазы. Учитывая стоимость и стабильность фазы 1T, гидротермальные методы больше подходят для каталитических реакций, для которых обычно требуется ~ 220 ° C, чтобы обеспечить максимальную эффективность для чистого MoS ₂ [34]. MoS ₂ Гибриды / графен в этой работе демонстрируют более низкие требования к температуре при 180 ° C, и это можно объяснить более быстрым процессом затравки с графеном в качестве поддерживающей среды и выравниванием кристаллических констант во время кристаллизации. Первопринципное исследование MoS ₂ Гетеропереход / графен показывает, что работа выхода графена (4,3 эВ) хорошо совпадает с зоной проводимости (4,2 эВ) монослоя MoS ₂ , а рассчитанная плотность носителей заряда в гибридах MG более чем на 3 порядка превышает собственное значение графена. Кроме того, электронно-дырочные пары хорошо разделены в структуре, что способствует более высокой реакционной способности [21, 48, 49].

Электрокаталитическая активность MoS ₂ Гибриды / графена были впервые исследованы в DSSC. DSSC имеют многослойную структуру с полупроводниковым слоем, покрытым сенсибилизирующим материалом, в качестве фотоанода, парой окислительно-восстановительных сил в качестве электролита и восстанавливающим катализатором в качестве противоэлектрода [50]. DSSC имеют отдельные фотоанод и противоэлектрод, что дает возможность максимально использовать катализатор противоэлектрода без нарушения химического состава ячейки. Применяя MoS ₂ Гибрид графена и графена в качестве противоэлектрода в DSSC позволяет напрямую охарактеризовать как проводимость, так и каталитическую реакционную способность, относящуюся к его электрохимическим свойствам.

В данной работе мы приготовили сенсибилизированный N719 TiO ₂ фотоанод на основе I ₃ ^- / I ^- электролит и MoS ₂ Гибридные противоэлектроды / графен для измерений DSSC, как показано на рис. 4a. Характеристики солнечных элементов сведены в Таблицу 1 и сравниваются на Рис. 4b. Гибриды MG-150 и MG-180 показали значительно улучшенный ответ по сравнению с гибридами, полученными при более высоких температурах. Все катализаторы поддерживали напряжение холостого хода ( В _OC ) около 0,7 В, что близко к значению для катализатора на основе Pt, в то время как ток короткого замыкания ( i _sc ) упал до 8,47 мА / см ² для MG-210 и 7,71 мА / см ² для гибридов МГ-240. Повышенный коэффициент заполнения (FF) для высокотемпературных гибридов является результатом более низкого i _sc и V _OC . Понятно, что i _sc является доминирующим фактором для эффективности, которая зависит от быстрой транспортировки заряда в гибридах. Сравнивая катализаторы MG-150 и MG-180, гибрид MG-180 дал более высокий i _sc , что предполагает либо лучшую проводимость, либо более высокую реакционную способность, и хорошо согласуется с прогнозом ослабления переноса заряда из-за чрезмерных дефектов в гибриде MG-150. Низкая производительность гибрида MG-240 предсказуема из-за чрезмерного количества MoS ₂ нанолистов, показанных на СЭМ-изображениях на рис. 1, которые ограничивают перенос электронов между графеном и MoS ₂ кристаллы. Дальнейшее исследование сопротивления с помощью анализа EIS (дополнительный файл 1:рисунок S3) предполагает самое низкое сопротивление переносу заряда MG-180, что хорошо согласуется с показателями эффективности.

Схема и характеристики DSSC. а Схема DSSC с готовыми гибридами в качестве катализатора противоэлектрода. б J-V кривые DSSC с MoS ₂ / Гибриды графена в качестве противоэлектрода. Противоэлектрод на основе Pt показал лучшие характеристики, в то время как гибрид 180 ° C был близок к таковому с более низким FF. V _OC начал снижаться при повышении температуры приготовления до 210 ° C и 240 ° C

Чтобы лучше понять улучшенные характеристики гибрида MG-180 в DSSC, проводимость и реактивность необходимо исследовать отдельно. Для изучения электрохимических свойств были выбраны гибриды MG-150, MG-180 и MG-210 для измерения характеристик HER в трехэлектродной установке. Все тесты HER проводились в 0,5 M H ₂ SO ₄ водный раствор с использованием электрода Ag / AgCl в качестве сравнения и платиновой проволоки в качестве противоэлектрода. Электрохимические характеристики образцов были проверены путем изготовления электродов из стеклоуглерода с контролируемым диаметром 3 мм, и испытанные потенциалы были преобразованы в RHE.

Гибриды MG-150 и MG-180 дали очень близкие начальные потенциалы около -176 и -179 мВ, соответственно, а MG-210 показал начальный потенциал около -287 мВ, оцененный из области низкой плотности тока в LSV. (Рис. 5а). Дрожащий хвост гибрида MG-180 при более низком потенциале был вызван образованием и накоплением пузырьков водорода, что свидетельствует о высоких характеристиках MoS ₂ / графен гибрид. Графики Тафеля (рис. 5b) для трех катализаторов показывают наклон 74,5 мВ / декаду для гибрида MG-180, что намного ниже, чем у MG-150 и MG-210, что указывает на более быстрое увеличение скорости HER с увеличением перенапряжения. Лучшая производительность гибрида MG-180 по сравнению с гибридом MG-150 объясняет важность лучшей кристаллизации для переноса заряда. Это можно увидеть с помощью анализа EIS (дополнительный файл 1:Рисунок S5). Гибрид MG-180 показал полукруг меньшего размера, что указывает на более эффективный перенос заряда между графеном и MoS ₂ . Между тем, импеданс гибрида MG-180 быстро увеличивался, давая возможность более высокой пористости той же массы материалов. Испытания Брунауэра-Эмметта-Теллера (БЭТ) показали, что MG-180 имеет удельную поверхность 73,5 м ² / г, по сравнению с MG-150 (49,5 м ² / г) и MG-210 (73,4 м ² /г). Результат хорошо согласуется с сильно разветвленными структурами, показанными на изображениях SEM. Наклон Тафеля, равный 137 мВ / декаду для гибрида MG-150, также объясняет его немного более низкую эффективность в DSSC. Результаты CV (дополнительный файл 1:рисунок S4) показали, что гибрид MG-180 имеет большую разницу в восстановительном / окислительном потенциале и более высокий пиковый ток, что свидетельствует о более активных центрах у гибридов MG-180 и более высокой реакционной способности в электрохимических реакциях. P>

ЕЕ сравнение производительности. а Кривые поляризации после ИК-коррекции. б Соответствующие графики Тафеля MoS ₂ Гибриды / графен, полученные при 150, 180 и 210 ° C, c I-t сканирование MG-180 за 20000 с. г Сравнение перенапряжений при 10 мА / см ² для MG-150, MG-180 и MG-210 с Pt / C, расслоенный MoS ₂ , и аморфный MoS ₂

Помимо реактивности HER гибрида MG-180, стабильная работа также была продемонстрирована постоянным потенциалом -0,5 В в течение 20 000 с (рис. 5c). Сравнение свежеприготовленных гибридов с расслоенным MoS ₂ и аморфный MoS ₂ производительность при той же плотности тока подчеркивает превосходство MG-180 с более низким перенапряжением (рис. 5d) [3, 51]. Таким образом, 180 ° C обеспечивает предпочтительный баланс активных дефектных участков, 1Т фаза MoS ₂ и разветвленные структуры для каталитической активности.

Выводы

Таким образом, условия кристаллизации MoS ₂ Гибриды / графен были изучены с помощью структурных характеристик и измерений производительности DSSC и HER. Благодаря отличной реакционной способности MoS ₂ и высокая проводимость графена, гибриды демонстрируют стабильные и улучшенные характеристики по сравнению с их составляющими. MoS ₂ в гибриде показывает изменение кристаллической фазы от 1T в низкотемпературной области (ниже 180 ° C) до 2H в высокотемпературной области (выше 210 ° C), наряду с улучшением качества кристаллов и уменьшением количества дефектных участков. Наличие фазы 1T улучшает реактивность восстановления и способность гибрида переносить заряд. Контролируемые дефектные участки также улучшают скорость каталитической реакции. Морфология MoS ₂ на графене имеет важное значение для поддержания высоких каталитических характеристик, и предпочтительны перпендикулярно ориентированные структуры в форме цветка. Эта работа представляет собой фундаментальное руководство и понимание для рационального проектирования и создания 2D гибридных материалов для электрокаталитических приложений.

Сокращения

2D:

Двумерный

3D:

Трехмерный

СТАВКА:

Брунауэр-Эмметт-Теллер

Резюме:

Циклическая вольтамперометрия

DFT:

Функциональная теория плотности

DSSC:

Сенсибилизированный красителем солнечный элемент

EDS:

Энергодисперсионная рентгеновская спектроскопия

EIS:

Электрохимическая импедансная спектроскопия

FE-SEM:

Автоэмиссионный растровый электронный микроскоп

FF:

Коэффициент заполнения

GCE:

Стеклоуглеродный электрод

HER:

Реакция выделения водорода

HRTEM:

Просвечивающий электронный микроскоп высокого разрешения

я _sc :

Ток короткого замыкания

LSV:

Вольтамперометрия с линейной разверткой

MEGO:

Нанолисты оксида графена, расслоенные в микроволновой печи

RHE:

Реверсивный водородный электрод

SAED:

Электронная дифракция в выбранной области

ТЕМ:

Просвечивающий электронный микроскоп

TMD:

Дихалькогенид переходного металла

V _OC :

Напряжение холостого хода

XPS:

Рентгеновская фотоэлектронная спектроскопия

XRD:

Рентгеновская дифракция