[论文解读] 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 63

一句话总结

本研究采用溶剂热法在还原氧化石墨烯（RGO）上生长二硫化钼（MoS2）纳米颗粒，制备出一种具有增强析氢反应（HER）活性的复合催化剂。MoS2/RGO复合催化剂的塔菲尔斜率为约41 mV/decade，为当时报道的最低值之一，这归因于大量暴露的边缘活性位点以及与导电石墨烯网络之间强烈的电荷耦合，表明其遵循Volmer-Heyrovsky机理，且氢脱附为决速步骤。

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.

研究动机与目标

• 开发一种基于过渡金属二硫属化合物的高性能电催化剂用于析氢反应（HER）。
• 通过构建具有最大活性边缘位点的纳米结构MoS2，解决体相MoS2活性有限的问题。
• 通过将MoS2与导电的二维石墨烯支撑材料复合，提升电荷转移效率与催化性能。
• 实现塔菲尔斜率低于50 mV/decade，表明其具有优异的HER本征活性。

提出的方法

• 在水溶液中通过溶剂热法直接在还原氧化石墨烯（RGO）上合成MoS2纳米颗粒。
• 利用氧化石墨烯（GO）作为模板，促进MoS2在RGO片层上的选择性成核与生长。
• 形成具有丰富暴露边缘位点的少层MoS2，锚定于石墨烯表面。
• 通过线性扫描伏安法与塔菲尔分析进行电化学表征，评估HER活性。
• 对比MoS2/RGO与溶液中自由存在的MoS2纳米颗粒的HER性能。
• 利用塔菲尔斜率与电化学阻抗谱分析反应机理。

实验结果

研究问题

• RQ1 在石墨烯上生长的MoS2纳米颗粒是否表现出优于体相或自由MoS2的HER活性？
• RQ2 MoS2/RGO的本征塔菲尔斜率是多少？其对HER机理有何启示？
• RQ3 MoS2与石墨烯的复合如何提升电荷转移与催化效率？
• RQ4 为何MoS2/RGO在性能上优于无石墨烯支撑的MoS2？
• RQ5 MoS2暴露的边缘位点在决定HER活性中发挥何种作用？

主要发现

• MoS2/RGO复合催化剂的塔菲尔斜率约为41 mV/decade，为当时报道的MoS2基HER催化剂中最低值。
• 低塔菲尔斜率表明反应遵循Volmer-Heyrovsky机理，且电化学脱附步骤为决速步骤。
• 在RGO上生长的MoS2纳米颗粒表现出显著高于溶液中自由生成的MoS2的HER活性。
• 由于MoS2在石墨烯表面呈现纳米尺度、少层结构，复合材料具有丰富的暴露边缘位点。
• MoS2与导电石墨烯网络之间的电荷耦合显著增强了电荷转移与整体催化效率。
• MoS2/RGO体系中未使用贵金属共催化剂，表明其具有作为低成本、高性能HER催化剂的巨大潜力。