[论文解读] Engineered MoSe2-based heterostructures for efficient electrochemical hydrogen evolution reaction

Leyla Najafi, Sebastiano Bellani+5 more|arXiv (Cornell University)|Mar 21, 2019

Electrocatalysts for Energy Conversion被引用 4

一句话总结

本研究通过将MoSe2与石墨烯或单壁碳纳米管结合，构建了工程化的MoSe2基异质结构，以提升电化学析氢反应（HER）活性。通过将MoSe2纳米片与碳纳米材料复合，并结合热退火与n-丁基锂处理，研究人员在基面生成硒空位并诱导相变，使交换电流密度提高4.8倍（达0.203 Acm⁻²），Tafel斜率降低至54 mVdec⁻¹。

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.

研究动机与目标

• 为克服MoSe2仅限于边缘位点的电催化活性受限问题，通过工程化其基面实现突破。
• 通过溶液法处理将MoSe2与碳纳米材料（石墨烯或SWNTs）集成，以提升HER性能。
• 通过生成硒空位并诱导半导体-金属相变，激活MoSe2的惰性基面。
• 优化质量负载与电极结构，以提升电化学性能。
• 通过后处理策略实现低过电位下的高电流密度，同时显著改善Tafel斜率与交换电流密度。

提出的方法

• 通过将单层或少层MoSe2纳米片与石墨烯或单壁碳纳米管（SWNTs）结合，采用溶液法工艺制备异质结构。
• MoSe2与碳纳米材料之间的电化学耦合增强了其本征HER活性。
• 在氢气气氛中进行热退火，生成硒空位，使MoSe2的基面发生纹理化。
• 通过n-丁基锂化学处理，诱导MoSe2发生原位半导体-金属相变。
• 采用一体化异质结构堆叠技术，优化质量负载与电极结构。
• 通过线性扫描伏安法、Tafel分析及交换电流密度计算评估电化学性能。

实验结果

研究问题

• RQ1 能否通过表面结构工程化实现MoSe2基面的HER活化？
• RQ2 与碳纳米材料的集成如何影响MoSe2的电催化活性？
• RQ3 通过生成硒空位与相变，能在多大程度上提升MoSe2基异质结构的HER性能？
• RQ4 MoSe2异质结构中，实现HER活性最大化的最优质量负载与电极构型为何？
• RQ5 通过后处理策略能否显著改善Tafel斜率与交换电流密度？

主要发现

• 优化后的异质结构在过电位100 mV下实现了10 mAcm⁻²的阴极电流密度。
• 经工程化处理后，Tafel斜率降低至54 mVdec⁻¹，表明反应动力学显著改善。
• 交换电流密度（j₀）提升至0.203 Acm⁻²，较原始MoSe2提高4.8倍。
• 通过氢气退火生成硒空位，有效激活了MoSe2的基面。
• n-丁基锂处理诱导MoSe2发生半导体-金属相变，进一步增强了HER活性。
• 异质结构的一体化堆叠设计实现了质量负载的有效优化，并提升了电化学性能。