[논문 리뷰] MoS2 Nanoparticles Grown on Graphene: An Advanced Catalyst for Hydrogen Evolution Reaction

Yanguang Li, Hailiang Wang외 4명|arXiv (Cornell University)|2011. 04. 15.

Electrocatalysts for Energy Conversion인용 수 63

한 줄 요약

이 연구는 감소된 그래핀 옥사이드(RGO) 위에 성장한 MoS2 나노입자를 이용한 열화학적 합성을 제시하며, 수소 발생 반응(HER) 활성이 향상된 하이브리드 촉매를 만든다. MoS2/RGO 하이브리드는 노출된 가장자리 부위가 풍부하고 도전성 그래핀 네트워크와 강한 전기적 결합을 이루기 때문에 약 41 mV/decade의 Tafel 기울기를 달성한다—보고된 바 중 가장 낮은 수준이며, 이는 수소 탈리프가 속도 결정 단계인 Volmer-Heyrovsky 메커니즘을 나타낸다.

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.

연구 동기 및 목표

• 전이 금속 디칼코겐화합물을 이용해 고성능 전기촉매를 개발하기 위해 수소 발생 반응(HER)을 위한 연구를 수행한다.
• 기본 상태의 MoS2는 활성이 제한되어 있으므로, 최대한 많은 활성 가장자리 부위를 갖춘 나노구조 MoS2를 설계함으로써 문제를 해결한다.
• MoS2를 도전성 2D 그래핀 지지체와 통합하여 전하 이동과 촉매 효율을 향상시킨다.
• Tafel 기울기를 50 mV/decade 이하로 확보함으로써 HER에 대한 뛰어난 본질적 활성을 나타낸다.

제안 방법

• 수용액에서 감소된 그래핀 옥사이드(RGO) 위에 직접 MoS2 나노입자를 열화학적으로 합성한다.
• GO를 템플릿으로 사용하여 RGO 시트 위에 MoS2의 선택적 핵화 및 성장을 촉진한다.
• 소수층 MoS2가 그래핀 표면에 고정된 상태로, 많은 수의 노출된 가장자리 부위를 가진다.
• 선형 스위프 전압측정 및 Tafel 분석을 통한 전기화학적 특성 분석을 통해 HER 활성을 평가한다.
• 용액 내 자유로운 MoS2 나노입자와의 HER 성능을 MoS2/RGO와 비교한다.
• Tafel 기울기와 전기화학적 임피던스 분석을 통해 반응 메커니즘을 분석한다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 그래핀 위에 성장한 MoS2 나노입자는 박막 또는 자유로운 MoS2에 비해 향상된 HER 활성을 보일 수 있는가?
• RQ2 MoS2/RGO의 본질적 Tafel 기울기는 얼마이며, 이는 HER 메커니즘에 대해 무엇을 시사하는가?
• RQ3 MoS2를 그래핀과 통합함으로써 전하 이동과 촉매 효율성이 어떻게 향상되는가?
• RQ4 왜 MoS2/RGO는 그래핀 지지체 없이 성장한 MoS2보다 뛰어난 성능을 보이는가?
• RQ5 MoS2의 노출된 가장자리 부위는 HER 활성에 어떤 역할을 하는가?

주요 결과

• MoS2/RGO 하이브리드는 약 41 mV/decade의 Tafel 기울기를 달성하였으며, 당시까지 보고된 바 중에서 MoS2 기반 HER 촉매 중 가장 낮은 기록이다.
• 낮은 Tafel 기울기는 전기화학적 수소 탈리프가 속도 결정 단계인 Volmer-Heyrovsky 메커니즘을 나타낸다.
• RGO 위에 성장한 MoS2 나노입자는 용액 내 자유로운 MoS2에 비해 상당히 높은 HER 활성을 보였다.
• 나노미터 크기의 소수층 MoS2 구조 덕분에 하이브리드 구조는 많은 수의 노출된 가장자리 부위를 가졌다.
• MoS2와 도전성 그래핀 네트워크 간의 전기적 결합으로 전하 이동과 총합 촉매 효율성이 향상되었다.
• MoS2/RGO 시스템에 고가의 희토류 금속 촉매가 포함되어 있지 않아, 저비용이며 고성능의 HER 촉매로의 잠재력이 있음을 시사한다.