[論文レビュー] MoS2 Nanoparticles Grown on Graphene: An Advanced Catalyst for Hydrogen Evolution Reaction

Yanguang Li, Hailiang Wang+4 more|arXiv (Cornell University)|Apr 15, 2011

Electrocatalysts for Energy Conversion被引用数 63

ひとこと要約

本研究では、酸化グラフェン（RGO）上に成長したMoS2ナノ粒子の溶媒熱合成を提示し、水素発生反応（HER）活性が向上したハイブリッド触媒を構築した。MoS2/RGOハイブリッドは、豊富な露出した端部サイトと導電性グラフェンネットワークとの強い電気的結合のおかげで、~41 mV/decadeという報告済みで最も低いTafel傾きを達成した。これは、水素脱吸着が速度決定律であるヴォルマー・ヘイロフスキー機構を示している。

ABSTRACT

Advanced materials for electrocatalytic and photoelectrochemical water splitting are central to the area of renewable energy. Here, we developed a solvothermal synthesis of MoS2 nanoparticles selectively on reduced graphene oxide (RGO) sheets suspended in solution. The resulting MoS2/RGO hybrid material possessed nanoscopic few-layer MoS2 structures with abundant exposed edges stacked onto graphene, in strong contrast to large aggregated MoS2 particles grown freely in solution without GO. The MoS2/RGO hybrid exhibited superior electrocatalytic activity in the hydrogen evolution reaction (HER) to other MoS2 catalysts. A Tafel slope of ~ 41 mV/decade was measured for MoS2 catalysts in HER for the first time, far exceeding the activity of previous MoS2 owing to the abundant catalytic edge sites of MoS2 nanoparticles and excellent electrical coupling to the underlying graphene network. The ~ 41 mV/decade Tafel slope suggested the Volmer-Heyrovsky mechanism for MoS2 catalyzed HER, with electrochemical desorption of hydrogen as the rate-limiting step.

研究の動機と目的

• 遷移金属ジカルコゲナイドを用いて、水素発生反応（HER）のための高性能電気触媒を開発すること。
• バルク状MoS2の活性が低いという問題を、最大限に活性な端部サイトを有するナノ構造化MoS2を設計することで解決すること。
• MoS2を導電性2次元グラフェン支持体と統合することで、電荷移動と触媒効率を向上させること。
• Tafel傾きを50 mV/decade未満に達成し、HERにおける優れた固有活性を示すこと。

提案手法

• 水溶液中で還元酸化グラフェン（RGO）上に直接MoS2ナノ粒子を溶媒熱合成する。
• GOをテンプレートとして用い、RGOシート上でのMoS2の選択的核生成と成長を促進する。
• グラフェン表面にアンカーリングされた、多数の層を形成する少数層MoS2が形成される。
• 線形掃引ボルタメトリーとTafel解析を用いた電気化学的特性評価により、HER活性を評価する。
• MoS2/RGOと溶液中で自由に形成されたMoS2ナノ粒子のHER性能を比較する。
• Tafel傾きと電化学インピーダンス分光法を用いた反応機構の分析。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 グラフェン上に成長したMoS2ナノ粒子は、バルク状または自由に形成されたMoS2と比較して、より優れたHER活性を示すか？
• RQ2 MoS2/RGOの固有Tafel傾きは何か？ これはHER機構に何を示唆するか？
• RQ3 MoS2とグラフェンの統合は、電荷移動と触媒効率をどのように向上させるか？
• RQ4 なぜMoS2/RGOはグラフェン支持体なしに成長したMoS2よりも優れた性能を示すのか？
• RQ5 MoS2の露出した端部サイトは、HER活性を決定づける役割を果たすのか？

主な発見

• MoS2/RGOハイブリッドは、当時報告されたMoS2ベースのHER触媒の中で最も低い~41 mV/decadeのTafel傾きを達成した。
• 低Tafel傾きは、ヴォルマー・ヘイロフスキー機構を示しており、電気化学的水素脱吸が速度決定律であることを示している。
• RGO上に成長したMoS2ナノ粒子は、溶液中で自由に形成されたMoS2と比較して著しく高いHER活性を示した。
• ハイブリッド構造は、グラフェン上に形成されたナノスケールで少数層のMoS2の形状のおかげで、豊富な露出した端部サイトを有していた。
• MoS2と導電性グラフェンネットワークとの電気的結合が、電荷移動と全体的な触媒効率を向上させた。
• MoS2/RGOシステムに貴金属共触媒が存在しないことから、低コストで高性能なHER触媒としての可能性が示された。