[論文レビュー] Self-optimizing layered hydrogen evolution catalyst with high basal-plane activity

Yuanyue Liu, Jingjie Wu+12 more|arXiv (Cornell University)|Aug 19, 2016

MXene and MAX Phase Materials参考文献 46被引用数 202

ひとこと要約

この論文は、基底面サイトが高活性なグループ-5 MX2触媒（H-TaS2とH-NbS2）を特定し、自己最適化形態が電荷移動とサイトアクセス性を高め、Ptと同等の性能を達成することを示しています。

ABSTRACT

Hydrogen is a promising energy carrier and key agent for many industrial chemical processes1. One method for generating hydrogen sustainably is via the hydrogen evolution reaction (HER), in which electrochemical reduction of protons is mediated by an appropriate catalyst-traditionally, an expensive platinum-group metal. Scalable production requires catalyst alternatives that can lower materials or processing costs while retaining the highest possible activity. Strategies have included dilute alloying of Pt2 or employing less expensive transition metal alloys, compounds or heterostructures (e.g., NiMo, metal phosphides, pyrite sulfides, encapsulated metal nanoparticles)3-5. Recently, low-cost, layered transition-metal dichalcogenides (MX2)6 based on molybdenum and tungsten have attracted substantial interest as alternative HER catalysts7-11. These materials have high intrinsic per-site HER activity; however, a significant challenge is the limited density of active sites, which are concentrated at the layer edges.8,10,11. Here we use theory to unravel electronic factors underlying catalytic activity on MX2 surfaces, and leverage the understanding to report group-5 MX2 (H-TaS2 and H-NbS2) electrocatalysts whose performance instead derives from highly active basal-plane sites. Beyond excellent catalytic activity, they are found to exhibit an unusual ability to optimize their morphology for enhanced charge transfer and accessibility of active sites as the HER proceeds. This leads to long cycle life and practical advantages for scalable processing. The resulting performance is comparable to Pt and exceeds all reported MX2 candidates.

研究の動機と目的

• MX2表面の水素発生活性を支配する電子的要因を理解する。
• グループ-5 MX2（H-TaS2、H-NbS2）がHERに対して高い基底面活性を示すことを実証する。
• これらの触媒が運用中に自己最適化形態を実現し、電荷移動とサイトアクセス性を向上させることを示す。
• 基底面活性MX2触媒の長期安定性と実用的加工利点を評価する。

提案手法

• この研究は、MX2表面のHER活性に関わる電子要因を特定するための理論分析を用いる。
• H-TaS2およびH-NbS2のHER性能と基底面活性を評価する実験的試験。
• 活性部位の自己最適化を理解するためのHER時の形態進化の調査。
• Ptおよび他のMX2候補体との触媒性能の比較。
• 触媒のサイクル寿命とスケーラビリティ潜在力の評価。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 MX2表面で水素発生活性を支配する電子要因は何か。
• RQ2 グループ-5 MX2触媒はHERに対して高い基底面活性を提供できるのか。
• RQ3 これらの触媒は運用中に自己最適化形態を用いて電荷移動とサイトアクセス性を高めるのか。
• RQ4 H-TaS2およびH-NbS2の性能はPtおよび他のMX2触媒と比較してどうか。
• RQ5 基底面活性 MX2触媒の安定性とスケーラブル加工の含意は何か。

主な発見

• グループ-5 MX2触媒（H-TaS2およびH-NbS2）は、基底面サイトに起因する高いHER活性を示す。
• 触媒はHER中に形態を最適化して電荷移動と活性部位へのアクセスを改善するという異例の能力を示す。
• これらの触媒の性能はPtに匹敵し、他の報告されたMX2候補を上回る。
• 基底面活性設計は長寿命とスケーラブル加工の実用的利点を提供する。