[논문 리뷰] Engineered MoSe2-based heterostructures for efficient electrochemical hydrogen evolution reaction

Leyla Najafi, Sebastiano Bellani외 5명|arXiv (Cornell University)|2019. 03. 21.

Electrocatalysts for Energy Conversion인용 수 4

한 줄 요약

이 연구는 전기화학적 수소 발생 반응(HER) 활성을 향상시키기 위해 그래핀 또는 단일벽 탄소 나노튜브(SWNTs)를 기반으로 한 엔지니어링된 MoSe2 이종구조체를 개발한다. MoSe2 플레이크를 탄소 나노재료와 융합하고 열처리 및 n-부틸리튬 처리를 시행함으로써 기질 평면의 활성화와 Se-빈도 생성, 반도체-금속 상전이를 유도하여, 교환 전류 밀도가 0.203 Acm⁻²로 4.8배 향상되고 Tafel 기울기가 54 mVdec⁻¹에 도달하는 결과를 얻었다.

ABSTRACT

Two-dimensional transition metal-dichalcogenides are emerging as efficient and cost-effective electrocatalysts for hydrogen evolution reaction (HER). However, only the edge sites of their trigonal prismatic phase show HER-electrocatalytic properties, while the basal plane, which is absent of defective/unsaturated sites, is inactive. Here, we tackle the key challenge that is increasing the number of electrocatalytic sites by designing and engineering heterostructures composed of single-/few-layer MoSe2 flakes and carbon nanomaterials (graphene or single-wall carbon nanotubes (SWNTs)) produced by solution processing. The electrochemical coupling between the materials that comprise the heterostructure effectively enhances the HER-electrocatalytic activity of the native MoSe2 flakes. The optimization of the mass loading of MoSe2 flakes and their electrode assembly via monolithic heterostructure stacking provided a cathodic current density of 10mAcm-2 at overpotential of 100mV, a Tafel slope of 63mVdec-1 and an exchange current density (j0) of 0.203 Acm-2. In addition, electrode thermal annealing in a hydrogen environment and chemical bathing in n-butyllithium are exploited to texturize the basal planes of the MoSe2 flakes (through Se-vacancies creation) and to achieve in situ semiconducting-to-metallic phase conversion, respectively, thus they activate new HER-electrocatalytic sites. The as-engineered electrodes show a 4.8-fold enhancement of j0 and a decrease in the Tafel slope to 54mVdec-1.

연구 동기 및 목표

• MoSe2의 전기촉매 활성이 엣지 사이트에 국한되어 있는 문제를 해결하기 위해 기질 평면을 엔지니어링하는 것.
• 용액 공정을 통해 그래핀 또는 SWNTs와의 이종구조 통합을 통해 HER 성능을 향상시키는 것.
• Se-빈도 생성 및 반도체-금속 상전이를 유도하여 불활성 기질 평면을 활성화하는 것.
• 질량 적재량과 전극 구조를 최적화하여 전기화학적 성능을 향상시키는 것.
• 낮은 초과전압에서 높은 전류 밀도를 달성하고 Tafel 기울기 및 교환 전류 밀도를 향상시키는 것.

제안 방법

• 단일층 또는 다수층 MoSe2 플레이크를 그래핀 또는 단일벽 탄소 나노튜브(SWNTs)와 용액 공정으로 융합하여 이종구조체를 제조하였다.
• MoSe2와 탄소 나노재료 간의 전기화학적 결합이 고유한 HER 활성을 향상시켰다.
• 수소 분위기에서의 열처리로 Se-빈도가 생성되어 MoSe2의 기질 평면이 구조적으로 변화하였다.
• n-부틸리튬으로의 화학적 처리가 MoSe2 내에서 반도체-금속 상전이를 현장에서 유도하였다.
• 단일 다층 이종구조체 스택을 통해 질량 적재량과 전극 구조를 최적화하였다.
• 선형 스위프 전압측정, Tafel 분석 및 교환 전류 밀도 계산을 통해 전기화학적 성능을 평가하였다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 MoSe2의 기질 평면이 표면 구조를 엔지니어링함으로써 HER에 대해 활성화될 수 있는가?
• RQ2 탄소 나노재료와의 통합이 MoSe2의 전기촉매 활성에 어떤 영향을 미치는가?
• RQ3 Se-빈도 생성 및 상전이가 MoSe2 기반 이종구조체의 HER 성능을 얼마나 향상시킬 수 있는가?
• RQ4 MoSe2 이종구조체의 HER 활성을 최대화하기 위한 최적의 질량 적재량과 전극 구성은 무엇인가?
• RQ5 후처리 전략을 통해 Tafel 기울기와 교환 전류 밀도를 상당히 향상시킬 수 있는가?

주요 결과

• 최적화된 이종구조체는 100 mV의 초과전압에서 10 mAcm⁻²의 음극 전류 밀도를 달성하였다.
• 엔지니어링 처리 후 Tafel 기울기가 54 mVdec⁻¹로 감소하여 반응 동역학이 향상됨을 나타냈다.
• 교환 전류 밀도(j₀)는 0.203 Acm⁻²로 상승하여 순수 MoSe2 대비 4.8배 향상되었다.
• 수소 분위기에서의 열처리를 통한 Se-빈도 생성이 MoSe2 기질 평면의 활성화에 효과적으로 기여하였다.
• n-부틸리튬 처리가 반도체-금속 상전이를 유도하여 HER 활성이 추가로 향상되었다.
• 이종구조체의 단일 다층 스택이 질량 적재량 최적화 및 전기화학적 성능 향상에 효과적으로 기여하였다.