二维材料用于电催化析氢的研究进展

doi:10.7503/cjcu20200686

摘要/Abstract

摘要：

电催化水分解因其丰富的原料来源和环境友好被认为是一种有前途的制氢技术. 开发用于电催化析氢反应的高效电催化剂是迫切需要的. 随着石墨烯的兴起, 二维(2D)材料因其独特的物理、化学和电子特性, 已逐渐成为水电解的潜在候选材料. 本文介绍了二维材料用于电化学水分解产生氢气的最新进展, 概括了二维材料的合成方法, 总结了改善二维材料电化学析氢性能的策略, 讨论了该领域面临的挑战和未来的发展机遇.

关键词: 电催化, 析氢反应, 纳米材料, 二维材料, 水分解

Abstract:

Electrocatalytic water splitting is considered as a promising technique to produce hydrogen due to its abundant source and environmental friendliness. The development of efficient electrocatalysts for electroca-talytic hydrogen evolution reaction（HER） is highly desirable. With the rise of graphene， two-dimensional（2D） materials have become a potential candidate in water electrolysis due to their unique physical， chemical， and electronic properties. Herein， this review sumarized the recent advances of 2D materials for electrochemical water splitting to produce hydrogen. Firstly， synthesis methods for 2D materials were introduced. Subsequently， strategies to improve the HER performance of 2D materials were summarized. Finally， some challenges and future opportunities in this field were summarized and proposed.

Key words: Electrocatalysis, Hydrogen evolution, Nanomaterials, Two-dimensional materials, Water splitting

中图分类号:

O643

TrendMD:

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图/表 8

Fig.2 Scheme for the liquid exfoliation of bulk materials into 2D nanosheets by ultrasonic treatment(A)[42] and electrochemical lithium ions intercalation process for the fabrication of 2D nanosheets from the layered bulk materials(B)[46]note：(A) Copyright 2013, American Association for the Advancement of Science; (B) Copyright 2011, Wiley-VCH.

Fig.3 TEM image of CoP nanosheeets(A), the corresponding Tafel plots of CoP ultrathin porous nanosheets(UPNSs), CoP nanoparticles(NPs) and 20% Pt/C in 0.5 mol/L H2SO4 at a scan rate of 2 mV/s(B), mass activity as a function of the overpotential for CoP UPNSs and NPs(C)[54] and scheme for the growth process of RhPd?H(D)[58]note：(A—C) Copyright 2017, Royal Society of Chemistry; (D) Copyright 2020, American Chemical Society.

Fig.4 Schematic diagram for dual temperature zone CVD synthesis of vertical MoS2 nanosheets on glassy carbon(A)[62], the current image of MoS2 nanosheets on highly oriented pyrolytic graphite(HOPG) substrate with 15 μm× 15 μm of scan sizes and 130 V/s of scan rate at -1.3 V vs. RHE sweep voltage(B), overpotential(C) and Tafel slope(D) on the MoS2 edge(red), terrace(green), and HOPG edge(grey) regions[63]note：(A) Copyright 2018, Royal Society of Chemistry; (B—D) Copyright 2020, Wiley-VCH.

Fig.5 Typical TEM image of Au nanosheets on graphene oxide(GO) with a scale bar of 500 nm(A)[65], onset potentials and overpotentials(at the current density of 10.0 mA/cm2) of 4H/fcc Au@PdAg NRBs, Pd black, and Pt black(B) and the corresponding Tafel plots(C)[66], schematic illustration for the growth of 2D TaS2 nanosheets on micron?sized NaCl crystals(D) and schematic illustration of TaS2 for the HER process(E)[67]note：(A) Copyright 2011, Springer Nature; (B, C) Copyright 2016, American Chemical Society;(D, E) Copyright 2019, American Chemical Society.

Fig.6 Scheme of MoSe2 nanofilm with molecular layers perpendicular to a curved surface(A)[72], schematic view illustrating the edges of fractal monolayer MoS2 flakes as active catalytic sites for HER(B), polarization curves of bare Au foil and MoS2/Au foils(a, b and c represent the coverage of 12%, 40%, and 60% for MoS2, respectively)(C)[73] and schematic illustration of the preparation process and microstructure of unsaturated sulfur edge MoS2 nanosheet?carbon macroporous(D)[74]note：(A) Copyright 2013, American Chemical Society;(B,C) Copyright 2014, American Chemical Society;(D) Copyright 2016, Wiley-VCH.

Fig.7 Scheme for the top(upper panel) and side(lower panel) views of MoS2 with strained S?vacancies on the basal plane(A) and free energy vs. the reaction coordinate of HER for the S?vacancy range of 0—25%(B)[75], scheme for mesoporous 1T?MoS2 nanosheets for catalyzing HER(C)[76] and scheme for the preparation of Co3S4 PNSvac(D)[77]note：(A, B) Copyright 2016, Springer Nature; (C) Copyright 2016, American Chemical Society;(D) Copyright 2018, American Chemical Society.

Fig.8 Schematic representation of the disordered structure in oxygen?incorporated MoS2 ultrathin nanosheets(A), constructed model of an individual oxygen?incorporated MoS2 nanodomain and the illustration of the HER process at the active sites(B), polarization curves of the oxygen?incorporated MoS2 ultrathin nanosheets(C)[81], TEM image of Ni?doped nanoporous graphene(G)(D), hydrogen adsorption sites and configuration of the interstitial atoms in the hollow centers of the benzene rings (Nisub))/G model with ΔGH*=-0.10 eV(left) and calculated Gibbs free energy diagram(right) of the HER at equilibrium potential for a Pt catalyst and Ni?doped graphene(substitutional dopants occupying C sites in the graphene lattice(Niab)/G, Nisub/G, and anchoring atoms on defect sites(Nidef)/G) samples(E)[82] and schematic illustration for the synthesis of multi?heteroatoms?doped MoS2(M?MoS2)(F)[83]note：(A, C) Copyright 2013, American Chemical Society; (D, E) Copyright 2015, Wiley-VCH; (F) Copyright 2020, Wiley-VCH.

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