金属性二维过渡金属硫化物的溶剂热合成及电催化析氢性能

doi:10.7503/cjcu20200454

摘要/Abstract

摘要：

采用溶剂热法制备了多种二维过渡金属硫化物(TMDCs), 在合成过程中通过调控反应前驱体的滴加速率来控制所得TMDCs的形貌和结构. 然后采用高温热处理来提高TMDCs的结晶性, 从而提升了其电催化活性. 在酸性电解液中进行电催化析氢性能测试. 结果表明, “花状”结构的金属性二维二硫化铌(NbS₂)具有最佳的催化活性和稳定性, 在电流密度为10 mA/cm²时, 其过电位仅为146 mV, 持续工作24 h后电流密度几乎不衰减. 研究发现, 可充分暴露面内活性位点的“花状”结构以及高温处理后材料导电性的提高是二维NbS₂具有优异电催化性能的主要因素.

关键词: 二维材料, 二硫化铌, 溶剂热合成, 电催化析氢, 电流密度

Abstract:

Different kinds of transition metal disulfides（TMDCs） were prepared via solvothermal method. The morphologic structure of TMDCs were controlled by tuning the injecting rates of the reaction precursor. The crystallization of the products could be improved by annealing treatment at high-temperature， and thus impro-ving the electrocatalytic activity of TMDC catalyst. The results of electrocatalytic hydrogen evolution in acidic electrolyte show that the metallic "flower-like" niobium disulfide（NbS₂） exhibits excellent catalytic activity and stability. It possess a small overpotential of only 146 mV to achieve a current density of 10 mA/cm². The current density almost shows no decays after 24 h continuous working at 10 mA/cm². The excellent performance of NbS₂ catalyst is attributed to the "flower-like" structure that can expose abundant active sites， and to the improvement of electrical conductivity and material quality after annealing treatment.

Key words: 2D Material, NbS₂, Solvothermal synthesis, Electrocatalytic hydrogen evolution, Current density

中图分类号:

O646

TrendMD:

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图/表 7

Fig.1 SEM images of two?dimensional(2D) NbS2 with different injecting rates of DDT precursors(A—D), capacitive currents at the potential of 0.10 V against the scan rate calculated from Fig.S1(E), ECSA of NbS2 samples with different injecting rates of DDT precursors(F) and schematic of 2D NbS2 for HER(G)Injecting rate of DDT/(mL·min-1): (A) 5.0; (B) 1.0; (C) 0.2; (D) 0.1.

Fig.2 XRD pattern(A), Raman spectrum(B), XPS spectra of Nb3d(C) and S2p(D), TEM(E) and HRTEM(F) images of metallic 2D NbS2 materials

Fig.3 LSV curves(A) and corresponding Tafel curves(B) of NbS2 with different annealing temperatures, LSV curves(C) of NbS2 with different injecting rates of DDT precursors and overpotentials(D) of NbS2 at 10 and 50 mA/cm2 under different injecting rates of DDT precursors

Fig.4 LSV curves(A) and corresponding Tafel curves(B) of MoS2, VS2, NbS2 and Pt/C catalysts, EIS curves of MoS2, VS2 and NbS2 catalysts(C) and the stability curve of NbS2 catalysts at the potential of -0.146 V(vs. RHE)(D)The inset of (C) is the equivalent circuit used to fit the impedance spectra. The inset of (D) is the LSV curves of NbS2 catalyst before and after 5000 cycles of CV scans from ?0.3 V to 0.1 V(vs. RHE).

Fig.5 LSV curves(A) and I?t curve(B) of self?supporting electrode of NbS2/Mo foil

Fig.6 Performance and production rate of diffe-rent TMDCs by CVT, CVD and solvothermal methods

Table 1 Summary of synthesis methods, sample description and overpotentials of TMDCs for HER

Sample	Synthesis method	Morphologic structure	Overpotential/V at 10 mA/cm²	Production rate/ (mg·h^-1)	Ref.
MX₂(M =V, Nb,Ta; X=S, Se, Te)	CVT	Hexagon	0.60―1.00	ca. 10²	[33]
TaS₂	CVT	Nanosheets	0.30	10¹―10²	[34]
1T?TaS₂ 2H?TaS₂	CVT	Hexagon	0.80 1.00	10¹―10²	[35]
2H?TaS₂	CVT	Hexagon	0.55	10¹―10²	[36]
2H?TaS₂	CVD	Hexagon	0.06―0.16	10^-3―10^-1	[24]
NbS₂	CVD	Nanoflakes	0.16	10^-3―10^-1	[37]
1T?TaS₂	CVD	Hexagon	0.205	10^-3―10^-1	[38]
2H?NbS₂	CVD	Hexagon	0.050	10^-3―10^-1	[22]
2H?MoS₂	Solvothermal	Flower?like	0.087	10¹―10²	[39]
2H?NbS₂ 2H?VS₂	Solvothermal	Flower?like	0.146 0.148	10¹―10²	This work
2H?MoS₂	Solvothermal	Flower?like	0.201	10¹―10²	This work

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