(Ag, Au)/MoS2的电解水性能及等离激元光热作用

doi:10.7503/cjcu20220768

摘要/Abstract

摘要：

MoS₂是电解水体系的一种备受关注的非贵金属析氢催化剂, 优化其活性位点是提高其活性的研究重点. 采用水热法在三维导电碳布(CC)上合成了二维片状MoS₂, 将反应温度从200 ℃调至180 ℃可保留具有更多活性位点的1T相, 相应的MoS₂(180)/CC电极表现出相对更低的析氢过电位. 利用电化学方法在MoS₂(180)/CC上分别沉积Ag和Au纳米粒子, 得到Ag/MoS₂(180)/CC和Au/MoS₂(180)/CC电极. 扫描电子显微镜(SEM)、 X射线衍射(XRD)、 X射线光电子能谱(XPS)表征结果以及无光照、光照和加热条件下电化学极化曲线、电化学阻抗谱(EIS)和Tafel斜率的测试结果表明, 20 nm Ag和30 nm Au的负载及光照条件均可降低析氢过电位和增加电流密度, 而体系温升的作用与金属的种类有关. 利用COMSOL Multiphysics软件构建MoS₂, Ag/MoS₂和Au/MoS₂模型, 模拟计算了光照下的电场和温度场, 证实了Ag和Au纳米粒子的热等离激元效应及其加速电极反应从而提高电解水析氢性能的作用.

关键词: 电解水, 二硫化钼纳米片, 析氢过电位, 等离激元金属, 热等离激元效应

Abstract:

MoS₂ has expected to become a promising non-precious metal catalyst for hydrogen evolution from water electrolysis， and its performances need to be improved by optimizing its active sites. In this paper， two-dimensional flake MoS₂ was synthesized on three-dimensional conductive carbon cloth（CC） by hydrothermal method. When adjusting the reaction temperature from 200 ℃ to 180 ℃， 1T phase with more active sites of MoS₂ can be reserved， and the corresponding MoS₂（180）/CC electrode exhibits a relatively lower hydrogen evolution overpotential. Ag/MoS₂（180）/CC and Au/MoS₂（180）/CC were prepared by deposing Ag and Au nanoparticles on MoS₂（180）/CC via electrochemical process， respectively. Based on characterization of scanning electron microscopy（SEM）， X-ray diffraction（XRD）， X-ray photoelectron spectroscopy（XPS） and measurements of polarization curves， electrochemical impedance spectroscopy（EIS） and Tafel slope of the resultant electrodes with and without illustration as well as heating， it can be found that the overpotentials and current densities of Ag/MoS₂（180）/CC and Au/MoS₂（180）/CC can be improved due to the deposition of 20 nm Ag and 30 nm Au or the condition of irradiation， and the role of temperature rise is related to the type of metal. Furthermore， MoS₂， Ag/MoS₂ and Au/MoS₂ models were constructed by using the COMSOL Multiphysics software， and the electric field and temperature field under illumination were simulated and calculated， confirming thermoplamonics effect of Ag and Au nanoparticles and its role in accelerating the kinetics of the electrode reaction and improving the hydrogen evolution performance of electrolyzed water.

Key words: Electrolysis of water, MoS₂ nanosheets, Hydrogen evolution overpotential, Plasmonic metal, Thermoplamonics effect

中图分类号:

O643

TrendMD:

桑丽霞, 马梦楠. (Ag, Au)/MoS₂的电解水性能及等离激元光热作用. 高等学校化学学报, 2023, 44(6): 20220768.

SANG Lixia, MA Mengnan. （Ag， Au）/MoS₂ as Electrocatalyst for Water Splitting and Its Thermoplamonics Effect. Chem. J. Chinese Universities, 2023, 44(6): 20220768.

图/表 13

Fig.1 SEM images(A, B) and EDS mapping of C(C), Mo(D) and S(E) elements of MoS2(180)/CC

Fig.2 SEM images(A, B) and EDS mapping of C(C), Mo(D) and S(E) elements of MoS2(200)/CC

Fig.3 XRD patterns of MoS2(180)/CC and MoS2(200)/CC(A), full(B) and Mo3d (C) and S2p (D) XPS spectra of MoS2(180)/CC and MoS2(200)/CC

Fig.4 Cathodic polarization curves(A) and electrochemical impedance spectra(B) of MoS2 sample at a sweep speed of 5 mV/s in 0.5 mol/L H2SO4The inset of （A） is a magnification of blank CC polarization curve.

Fig.5 SEM images of Ag/MoS2(180)/CC(A, B) and Au/MoS2(180)/CC(C, D), EDS mapping of Mo(E), S(F), Ag(G) and Au(H) elements of Ag/MoS2(180)/CC(E, F, G) and Au/MoS2(180)/CC(E, F, H)

Fig.6 XRD patterns of MoS2(180)/CC, Ag/MoS2(180)/CC and Au/MoS2(180)/CC

Fig.7 XPS spectra of Ag/MoS2(180)/CC(A) and Au/MoS2(180)/CC(B), the Mo3d (C) and S2p (D) XPS spectra in different samples（A， B） The inserts show the high-resolution XPS spectra of Ag3d and Au4f， respectively.

Fig.8 Absorption cross section⁃wavelength curves of single MoS2, Ag/MoS2 and Au/MoS2 nanocomposites(A), electric field distribution diagram(B), thermal power density distribution(C) and temperature rise distribution(D) of Ag/MoS2 and Au/MoS2

Fig.9 Steady⁃state temperature rise distribution of simplified models of Ag/MoS2(A) and Au/MoS2(B) nanoparticle arrays

Fig.10 Infrared images of Ag/MoS2(180)/CC(A—G) and Au/MoS2(180)/CC(H—N) under different illumination timet/min：（A， H） 0；（B， I） 1；（C， J） 3；（D， K） 5；（E， L） 10；（F， M） 20；（G， N） 30.

Fig.11 Polarization curves of MoS2(180)/CC and Ag/MoS2(180)/CC under dark fields(A), the cathodic polarization curves of Ag/MoS2(180)/CC samples at dark, 35 ℃ and light conditions(B), Nyquist diagram of electrochemical impedance spectra of MoS2(180)/CC and Ag/MoS2(180)/CC samples(C), and Tafel plots derived from the LSV curves in (B)(D)

Fig.12 Polarization curves of MoS2(180)/CC and Au/MoS2(180)/CC under dark fields(A), cathodic polarization curves of Au/MoS2(180)/CC at dark, 33 ℃ and light conditions(B), Nyquist diagram of electrochemical impedance spectra of MoS2(180)/CC and Au/MoS2(180)/CC samples(C), Tafel plots derived from the LSV curves in (B)(D)

Table 1 Overpotential(η) of (Ag, Au)/MoS2/CC composites under different conditions

Sample	η_Dark/mV	η_Heating/mV	η_Light/mV
MoS₂（200）/CC	-316	—	-301
MoS₂（180）/CC	-301	—	-296
Ag/MoS₂（180）/CC	-264	-256	-241
Au/MoS₂（180）/CC	-295	-264	-264

参考文献 54

1	Jin H. Y.， Wang X. S.， Tang C.， Vasileff A.， Li L. Q.， Slattery A.， Qiao S. Z.， Adv. Mater.， 2021， 33（13）， 401—408
2	Yin X.， Yang L. C.， Gao Q. S.， Nanoscale， 2020， 12（30）， 15944—15969
3	Hrapovic S.， Liu Y. L.， Luong J. H. T.， Anal. Chem.， 2007， 79（2）， 500—507
4	Shi Z. P.， Nie K. Q.， Shao Z. J.， Gao B. X.， Lin H. L.， Zhang H. B.， Liu B. L.， Wang Y. X.， Sun X. H.， Cao X. M.， Hu P.， Gao Q. S.， Tang Y.， Energ. Environ. Sci.， 2017， 10（5）， 1262—1271
5	Bang G. S.， Nam K. W.， Kim J. Y.， Shin J.， Choi J. W.， Choi S. Y.， ACS Appl. Mater. Inter.， 2014， 6（10）， 7084—7089
6	Qian Z. Y.， Jiao L. Y.， Xie L. M.， Chinese J. Chem.， 2020， 38（7）， 753—760
7	Tang Q.， Jiang D. E.， ACS Catal.， 2016， 6（8）， 4953—4961
8	Chen Y. C.， Lu A. Y.， Lu P.， Yang X. L.， Jiang C. M.， Mariano M.， Kaehr B.， Lin O.， Taylor A.， Sharp L. D.， Li L. J.， Chou S. S.， Tung V.， Adv. Mater.， 2017， 29（44）， 128—136
9	Chang K.， Hai X.， Pang H.， Zhang H. B.， Shi L.， Liu G. G.， Liu H. M.， Zhao G. X.， Li M.， Ye J. H.， Adv. Mater.， 2016， 28（45）， 10033—10041
10	Eda G.， Yamaguchi H.， Voiry D.， Fujita T.， Chen M. W.， Chhowalla M.， Nano Lett.， 2011， 11（12）， 5111—5116
11	Friedman A. L.， Hanbicki A. T.， Perkins F. K.， Jernigan G. G.， Culbertson G. C.， Campbell P. M.， Sci. Rep.， 2017， 7， 5897—5905
12	Wang D. Z.， Xiao Y. Y.， Luo X. N.， Wu Z. Z.， Wang Y. J.， Fang B. Z.， ACS Sustain. Chem. Eng.， 2017， 5（3）， 2509—2515
13	Liu Z. P.， Gao Z. C.， Liu Y. H.， Xia M. S.， Wang R. W.， Li N.， ACS Appl. Mater. Inter.， 2017， 9（30）， 25291—25297
14	Shi S. P.， Gao D. Q.， Xia B. R.， Liu P. T.， Xue D. S.， J. Mater. Chem. A， 2015， 3（48）， 24414—24421
15	Xie J. F.， Xie Y.， ChemCatChem， 2015， 7（17）， 2568—2580
16	Jia W.， Zhou X.， Huang Y. D.， Cao Y. L.， Sun Y.， Jia D. Z.， ChemCatChem， 2019， 11（2）， 707—714
17	Liu G. G.， Li P.， Zhao G. X.， Wang X.， Kong J. T.， Liu H. M.， Zhang H. B.， Chang K.， Meng X. G.， Kako T.， Ye J. H.， J. Am. Chem. Soc.， 2016， 138（29）， 9128—9136
18	Yang H.， Wang Z. H.， Zheng Y. Y.， He L. Q.， Zhan C.， Lu X. H.， Tian Z. Q.， Fang P. P.， Tong Y. X.， J. Am. Chem. Soc.， 2016， 138（50）， 16204—16207
19	Shi Y.， Wang J.， Wang C.， Zhai T. T.， Bao W. J.， Xu J. J.， Xia X. H.， Chen H. Y.， J. Am. Chem. Soc.， 2015， 137（23）， 7365—7370
20	Jiang W. Y.， Wu X. X.， Chang J. Q.， Ma Y. H.， Song L. T.， Chen Z. X.， Liang C.， Liu X. F.， Zhang Y.， Nano Res.， 2021， 14（4）， 1195—1201
21	Chen X. B.， Shen S. H.， Guo L. J.， Mao S. S.， Chem. Rev.， 2010， 110（11）， 6503—6570
22	Zhang G. X.， Wang H.， Yang J. L.， Zhao Q. H.， Yang L. Y.， Tang H. T.， Liu C. K.， Chen H. B.， Lin Y.， Pan F.， Inorg. Chem.， 2018， 57（5）， 2766—2772
23	Shen Y. F.， Reparaz J. S.， Wagner M. R.， Hoffmann A.， Thomsen C.， Lee J. O.， Heeg S.， Hatting B.， Reich S.， Saeki A.， Seki S.， Yoshida K.， Babu S. S.， Moehwald H.， Nakanishi T.， Chem. Sci.， 2011， 2（11）， 2243—2250
24	Gu L.， Zhang C.， Guo Y. M.， Gao J.， Yu Y. F.， Zhang B.， ACS Sustain. Chem. Eng.， 2019， 7（4）， 3710—3714
25	Li X. Y.， Wang C.， Chen Y.， Li K. K.， Li J. Q.， Jin S. J.， Chen L. H.， Su B. L.， Chem. J. Chinese Universities， 2022， 43（10）， 20220174
	李学宇，王朝，陈雅，李可可，李建全，金顺敬，陈丽华，苏宝连. 高等学校化学学报， 2022， 43（10）， 20220174
26	Pataniya P. M.， Sumesh C. K.， ACS Appl. Energ. Mater.， 2021， 4（5）， 4815—4822
27	Kim J.， Byun S.， Smith A. J.， Yu J.， Huang J. X.， J. Phys. Chem. Lett.， 2013， 4（8）， 1227—1232
28	COMSOL Multiphysics， Revision 5.6， COMSOL Inc.， Stockholm， 2020
29	Baffou G.， Quidant R.， Girard C.， Appl. Phys. Lett.， 2009， 94（15）， 1—9
30	Gao R. X.， Fu R. P.， Jiao W. Y.， Fan G. H.， Liang C. Y.， Chen J. J.， Ren H. B.， Ren H. B.， Wang Y. Y.， Liu W. J.， Ren S. T.， Dong， Q. L.， Wei Q. F.， Ren X. L.， Sun M. J.， Liu W. X.， Optik， 2020， 206， 106—116
31	Lei T. M.， Wu S. B.， Zhang Y. M.， Liu J. J.， Guo H.， Zhang Z. Y.， Rare Metal Mat. Eng.， 2013， 42（12）， 2477—2480
32	Johnson P. B.， Christy R. W.， Phys. Rev. B， 1972， 6（12）， 4370—4379
33	Rakic A. D.， Djurisic A. B.， Elazar J. M.， Majewski M. L.， Appl. Optics， 1998， 37（22）， 5271—5283
34	Li M. Y.， Zhou Z. Z.， Hu L.， Wang S. Y.， Zhou Y. Z.， Zhu R. B.， Chu X. Z.， Vinu A.， Wan T.， Cazorla C.， Yi J. B.， Chu D. W.， ACS Appl. Mater. Interfaces， 2022， 14（14）， 16338—16347
35	Wypych F.， Schollhorn R.， J. Am. Chem. Soc.， 1992， 19， 1386—1388
36	Liu C. J.， Tai S. Y.， Chou S. W.， Yu Y. C.， Chang K. D.， Wang S.， Chien F. S. S.， Lin J. Y.， Lin T. W.， J. Mater. Chem.， 2012， 22（39）， 21057—21064
37	Fan L. Q.， Liu G. J.， Zhang C. Y.， Wu J. H.， Wei Y. L.， Int. J. Hydrogen Energ.， 2015， 40（32）， 10150—10157
38	Qiao X. Q.， Zhang Z. W.， Tian F. Y.， Hou D. F.， Tian Z. F.， Li D. S.， Zhang Q. C.， Cryst. Growth Des.， 2017， 17（6）， 3538—3547
39	Su S.， Zou M.， Zhao H.， Yuan C. F.， Xu Y. A.， Zhang C.， Wang L. H.， Fan C. H.， Nanoscale， 2015， 7（45）， 19129—19135
40	Xiang Q.， Meng G. F.， Zhang Y.， Xu J. Q.， Xu P. C.， Pan Q. Y.， Yu W. J.， Sensor. Actuat. B： Chem.， 2010， 143（2）， 635—640
41	Brongersma M. L.， Halas N. J.， Nordlander P.， Nat. Nanotechnol.， 2015， 10（1）， 25—34
42	De Wilde Y.， Formanek F.， Carminati R.， Gralak B.， Lemoine P. A.， Joulain K.， Mulet J. P.， Chen Y.， Greffet J. J.， Nature， 2006， 444（7120）， 740—743
43	Chen M. J.， He Y. R.， Hu Y. W.， Zhu J. Q.， Plasmonics， 2019， 14（6）， 1893—1902
44	Cao A. R.， Sang L. X.， Yu Z. X.， Zhao Y.， Wang X. D.， Wang C.， Ma M. N.， Catal. Sci. Technol.， 2022， 12（6）， 1859—1868
45	Govorov A. O.， Zhang W.， Skeini T.， Richardson H.， Lee J.， Kotov N. A.， Nanoscale Res. Lett.， 2006， 1（1）， 84—90
46	Borah R.， Verbruggen S. W.， J. Phys. Chem. C， 2020， 123（50）， 30594—30603
47	Baffou G.， Cichos F.， Quidant R.， Nat. Mater.， 2020， 19（9）， 946—958
48	Baffou G.， Berto P.， Urena E. B.， Quidant R.， Monneret S.， Polleux J.， Rigneault H.， ACS Nano， 2013， 7（8）， 6478—6488
49	Yockell-Lelievre H.， Lussier F.， Masson J. F.， J. Phys. Chem. C， 2015， 119（51）， 28577—28585
50	Krajczewski J.， Kolataj K.， Kudelski A.， RSC Adv.， 2017， 7（28）， 17559—17576
51	Zhu J.， Hu L. S.， Zhao P. X.， Lee L. Y. S.， Wong K. Y.， Chem. Rev.， 2020， 120（2）， 851—918
52	Lu Z. Y.， Zhu W.， Yu X. Y.， Zhang H. C.， Li Y. J.， Sun X. M.， Wang X. W.， Wang H.， Wang J. M.， Luo J.， Lei X. D.， Jiang L.， Adv. Mater.， 2014， 26（17）， 2683—2687
53	Pataniya P. M.， Sumesh C. K.， ACS Appl. Energ. Mater.， 2021， 4（5）， 4815—4822
54	Shi Y.， Wang J.， Wang C.， Zhai T. T.， Bao W. J.， Xu J. J.， Xia X. H.， Chen H. Y.， J. Am. Chem. Soc.， 2015， 137（23）， 7365—7370

[1]	陈长利, 米万良, 李煜璟. 单原子催化材料在电化学氢循环应用中的研究进展[J]. 高等学校化学学报, 2022, 43(5): 20220065.
[2]	陈望松, 罗兰, 刘玉广, 周华, 孔祥贵, 栗振华, 段昊泓. 光电解水制氢耦合生物质醇/醛氧化的研究进展[J]. 高等学校化学学报, 2022, 43(2): 20210683.
[3]	姜媛媛, 李伯语, 逯一中, 吴同舜, 韩冬雪. 无电沉积硼化镍材料对水氧化的电催化性能[J]. 高等学校化学学报, 2020, 41(12): 2774.
[4]	王晨峰, 徐秋雨, 王临才, 张瑞琦, 潘欣欣, 王景伟, 郝伟举. “三明治夹心”型Ni-P@Ni-B/Ni电极的制备及高效全pH下的催化制氢性能[J]. 高等学校化学学报, 2019, 40(10): 2156.
[5]	胡杰, 王勇, 倪永年. 基于层状二硫化钼纳米片比色检测亚锡离子[J]. 高等学校化学学报, 2016, 37(3): 448.
[6]	陈刚, 米灿根, 吕洪, 郝传璞, 黄宇, 宋宇琨. 介孔TiO₂载体对固体聚合物电解质水电解阳极催化剂性能的影响[J]. 高等学校化学学报, 2016, 37(1): 126.

(Ag, Au)/MoS₂的电解水性能及等离激元光热作用

（Ag， Au）/MoS₂ as Electrocatalyst for Water Splitting and Its Thermoplamonics Effect

RichHTML

PDF (PC)

可视化

摘要/Abstract

引用本文

使用本文

图/表 13

参考文献 54

相关文章 6

编辑推荐

Metrics

本文评价