Core-shell Heterostructure Construction Between Thiospinel CuCo2S4 and MoS2 for Improved Hydrogen Evolution Electrocatalytic Performance

doi:10.7503/cjcu20210098

Abstract

Abstract:

The heterostructure construction between thiospinel transition metal sulfide CuCo₂S₄ and MoS₂ was achieved by a simple three-step hydrothermal process. Ni foam（NF） was employed as the substrate and the self-supported MoS₂@ CuCo₂S₄-Ni₃S₂/NF electrode was obtained. The high resolution transmission electron microscopy（HRTEM）， X-ray diffraction（XRD）， X-ray photoelectron spectroscopy（XPS）， scanning electron microscopy（SEM） and transmission electron microscopy（TEM） verified that MoS₂ nanosheets grown onto the surface of CuCo₂S₄-Ni₃S₂ nanorods densely and uniformly， which formed a hierarchical core-shell structure. The electrocatalytic performance of MoS₂@CuCo₂S₄-Ni₃S₂/NF for hydrogen evolution reaction（HER） in 1 mol/L KOH verified that the rational hybridization between MoS₂ and CuCo₂S₄ as well as the construction of the speci-fic nanostructure significantly increased the electrochemical surface area and efficiently improved the electron transfer. Therefore， MoS₂@CuCo₂S₄-Ni₃S₂/NF only needed overpotential of 116， 231， 282 mV， respectively， to reach the current density of 10， 100， 300 mA/cm². The overpotential corresponded to 100 mA/cm² only increased 6% after 2000 cycles of CV measurement. Therefore， outstanding HER catalytic activity and stability have been achieved by this MoS₂@CuCo₂S₄-Ni₃S₂/NF self-supported electrode.

Key words: Molybdenum disulfide, Thiospinel transition metal sulfide, Electrocatalysis, Hydrogen evolution reaction

CLC Number:

O646

TrendMD:

ZHANG Nan, HAN Kuo, LI Yue, WANG Chunru, ZHAO Feng, HAN Dongxue, NIU Li. Core-shell Heterostructure Construction Between Thiospinel CuCo₂S₄ and MoS₂ for Improved Hydrogen Evolution Electrocatalytic Performance[J]. Chem. J. Chinese Universities, 2021, 42(4): 1307.

Figures/Tables 10

References 40

1	Jiang Y. Y.， Li B. Y.， Lu Y. Z.， Wu T. S.， Han D. X.， Chem. J. Chinese Universities， 2020， 41（12）， 2774—2780（姜媛媛，李伯语，逯一中，吴同舜，韩冬雪. 高等学校化学学报， 2020， 41（12）， 2774—2780）
2	Wang W. F.， Qin S.， Zhang R. R.， Zhou P. P.， Yang Q. H.， Chen T. Y.， Chem. J. Chinese Universities， 2019， 40（9）， 1979—1987 （王文峰，秦山，张荣荣，周盼盼，杨庆华，陈天云. 高等学校化学学报， 2019， 40（9）， 1979—1987）
3	Lukowski M. A.， Daniel A. S.， Meng F.， Forticaux A.， Li L.， Jin S.， J. Am. Chem. Soc.， 2013， 135（28）， 10274—10277
4	Li Y.， Yin Z.， Cui M.， Liu X.， Xiong J.， Chen S.， Ma T.， J. Mater. Chem. A， 2021， 9（4）， 2070—2092
5	Zhang X.， Zhou F.， Zhang S.， Liang Y.， Wang R.， Adv. Sci.， 2019， 6（10）， 1900090
6	Zheng M.， Guo K.， Jiang W. J.， Tang T.， Wang X.， Zhou P.， Du J.， Zhao Y.， Xu C.， Hu J. S.， Appl. Catal. B： Environ.， 2019， 244， 1004—1012
7	Ahmed A. T. A.， Ansari A. S.， Pawar S. M.， Shong B.， Kim H.， Im H.， Appl. Surf. Sci.， 2021， 539， 148229
8	Li Q.， Jiao Q.， Li H.， Zhou W.， Feng X.， Qiu B.， Shi Q.， Zheng Y.， Zhao Y.， Feng C.， J. Alloy. Compd.， 2020， 845， 156183
9	Xie T.， Xu J.， Wang J.， Xuan C.， Ma C.， Su L.， Dong F.， Gong L.， Energ. Fuel.， 2020， 34（12）， 16791—16799
10	Hao Z.， Wei P.， Yang Y.， Sun J.， Song Y.， Guo D.， Liu L.， Appl. Surf. Sci.， 2021， 536， 147826
11	Zequine C.， Bhoyate S.， Wang F.， Li X.， Siam K.， Kahol P. K.， Gupta R. K.， J. Alloy. Compd.，2019， 784， 1—7
12	Du X.， Ding Y.， Su H.， Zhang X.， Int. J. Hydrogen Energ.，2020， 45（21）， 12012—12025
13	Chauhan M.， Reddy K. P.， Gopinath C. S.， Deka S.， ACS Catal.，2017， 7（9）， 5871—5879
14	Yang L.， Xie L.， Ren X.， Wang Z.， Liu Z.， Du G.， Asiri A. M.， Yao Y.， Sun X.， Chem. Commun.，2018， 54（1）， 78—81
15	Ren X. R.， Zhou Q.， Chem. J. Chinese Universities，2020， 41（1）， 162—174（任向荣，周琦. 高等学校化学学报， 2020， 41（1）， 162—174）
16	Zhang N.， Lei J.， Xie J.， Huang H.， Yu Y.， RSC Adv.，2017， 7（73）， 46286—46296
17	Lu M.， Zhang X.， Tong J.， Wang W.， Wang Y.， Chem. Eur. J.， 2021， 27（1）， 238—241
18	Czioska S.， Wang J.， Teng X.， Chen Z.， ACS Sustain. Chem. Eng.，2018， 6（9）， 11877—11883
19	Sun Q. Q.， Cao B. Y.， Zhou C. S.， Zhang G. C.， Wang Z. L.， Chem. J. Chinese Universities，2020， 41（6）， 1287—1296（孙强强，曹宝月，周春生，张国春，王增林. 高等学校化学学报， 2020， 41（6）， 1287—1296）
20	Dai H. Y.， Yang H. M.， Liu X.， Jian X.， Guo M. M.， Cao L. L.， Liang Z. H.， Chem. J. Chinese Universities，2018， 39（2）， 351—358（代红艳，杨慧敏，刘宪，简选，郭敏敏，曹乐乐，梁镇海. 高等学校化学学报， 2018， 39（2）， 351—358）
21	Muthurasu A.， Ojha G. P.， Lee M.， Kim H. Y.， Electrochim. Acta，2020， 334， 135537
22	Zhao S.， Wang Y.， Zhang Q.， Li Y.， Gu L.， Dai Z.， Liu S.， Lan Y. Q.， Han M.， Bao J.， Inorg. Chem. Front.， 2016， 3（12）， 1501—1509
23	Luo Y.， Tang L.， Khan U.， Yu Q.， Cheng H. M.， Zou X.， Liu B.， Nat. Commun.，2019， 10， 269
24	Zhang N.， Gao Y.， Wang C.， Zhao F.， Duan Z.， Liu J.， Yu Y.， Chem. Commun.，2020， 56（80）， 12065—12068
25	Du X.， Fu J.， Zhang X.， Chem. Asian J.，2019， 14（19）， 3386—3396
26	Xu X.， Huang Z.， Zhao C.， Ding X.， Liu X.， Wang D.， Hui Z.， Jia R.， Liu Y.， Ceram. Int.， 2020， 46（9）， 13125—13132
27	Ma L.， Liang J.， Chen T.， Liu Y.， Li S.， Fang G.， Electrochim. Acta，2019， 326， 135002
28	Qin C.， Fan A.， Zhang X.， Wang S.， Yuan X.， Dai X.， J. Mater. Chem. A，2019， 7（48）， 27594—27602
29	Cheng P.， Yuan C.， Zhou Q.， Hu X.， Li J.， Lin X.， Wang X.， Jin M.， Shui L.， Gao X.， Notzel R.， Zhou G.， Zhang Z.， Liu J.， J. Phys. Chem. C，2019， 123（10）， 5833—5839
30	Kuang P.， Tong T.， Fan K.， Yu J.， ACS Catal.， 2017， 7（9）， 6179—6187
31	Wei C.， Liu C.， Gao L.， Sun Y.， Liu Q.， Zhang X.， Guo J.， J. Alloy. Compd.，2019， 796， 86—92
32	Huang H.， Song J.， Yu D.， Hao Y.， Wang Y.， Peng S.， Appl. Surf. Sci.， 2020， 525， 146623
33	Zhang N.， Gao Y.， Mei Y.， Liu J.， Song W.， Yu Y.， Inorg. Chem. Front.，2019， 6（1）， 293—302
34	Gao Y.， Zhang N.， Wang C.， Zhao F.， Yu Y.， ACS Appl. Energ. Mater.，2020， 3（1）， 666—674
35	Lim K. J. H.， Yilmaz G.， Lim Y. F.， Ho G. W.， J. Mater. Chem. A，2018， 6（41）， 20491—20499
36	Zhou W.， Wu X. J.， Cao X.， Huang X.， Tan C.， Tian J.， Liu H.， Wang J.， Zhang H.， Energ. Environ. Sci.，2013， 6（10）， 2921—2924
37	Cheng N.， Liu Q.， Asiri A. M.， Xing W.， Sun X.， J. Mater. Chem. A，2015， 3（46）， 23207—23212
38	Li C.， Zhao S.， Zhu K.， Wang B.， Wang E.， Luo Y.， He L.， Wang J.， Jiang K.， Fan S.， Li J.， Liu K.， J. Mater. Chem. A，2020， 8（30）， 14944—14954
39	Wang C.， Shao X.， Pan J.， Hu J.， Xu X.， Appl. Catal. B： Environ.，2020， 268， 118435
40	Fan C.， Yue X.， Shen X.， Cheng J.， Ke W.， Ji Z.， Yuan A.， Zhu G.， ChemElectroChem，2021， 8（4）， 665—674

Catalytic electrode	η₁₀/mV	η₃₀₀/mV	Tafel slope/(mV·dec^-1)
MoS₂@CuCo₂S₄?Ni₃S₂/NF	116	282	89.43
MoS₂@Ni₃S₂/NF	172	352.5	112.56
CuCo₂S₄?Ni₃S₂/NF	156	364	138.75
NF	276	446	152.28

Catalytic electrode	η₁₀/mV	η₃₀₀/mV	Tafel slope/(mV·dec^-1)
MoS₂@CuCo₂S₄?Ni₃S₂/NF	116	282	89.43
MoS₂@Ni₃S₂/NF	172	352.5	112.56
CuCo₂S₄?Ni₃S₂/NF	156	364	138.75
NF	276	446	152.28

Catalytic electrode	C_dl/(mF·cm^-2)	R_ct/Ω
MoS₂@CuCo₂S₄?Ni₃S₂/NF	110.51	0.95
MoS₂@Ni₃S₂/NF	27.58	1.28
CuCo₂S₄?Ni₃S₂/NF	41.66	4.76

Catalytic electrode	C_dl/(mF·cm^-2)	R_ct/Ω
MoS₂@CuCo₂S₄?Ni₃S₂/NF	110.51	0.95
MoS₂@Ni₃S₂/NF	27.58	1.28
CuCo₂S₄?Ni₃S₂/NF	41.66	4.76

[1]	QIN Yongji, LUO Jun. Applications of Single-atom Catalysts in CO₂ Conversion [J]. Chem. J. Chinese Universities, 2022, 43(9): 20220300.
[2]	YAO Qing, YU Zhiyong, HUANG Xiaoqing. Progress in Synthesis and Energy-related Electrocatalysis of Single-atom Catalysts [J]. Chem. J. Chinese Universities, 2022, 43(9): 20220323.
[3]	LIN Gaoxin, WANG Jiacheng. Progress and Perspective on Molybdenum Disulfide with Single-atom Doping Toward Hydrogen Evolution [J]. Chem. J. Chinese Universities, 2022, 43(9): 20220321.
[4]	WANG Sicong, PANG Beibei, LIU Xiaokang, DING Tao, YAO Tao. Application of XAFS Technique in Single-atom Electrocatalysis [J]. Chem. J. Chinese Universities, 2022, 43(9): 20220487.
[5]	HAN Fuchao, LI Fujin, CHEN Liang, HE Leiyi, JIANG Yunan, XU Shoudong, ZHANG Ding, QI Lu. Enhance of CoSe₂/C Composites Modified Separator on Electrochemical Performance of Li-S Batteries at High Sulfur Loading [J]. Chem. J. Chinese Universities, 2022, 43(8): 20220163.
[6]	WANG Ruhan, JIA Shunhan, WU Limin, SUN Xiaofu, HAN Buxing. CO₂-involved Electrochemical C—N Coupling into Value-added Chemicals [J]. Chem. J. Chinese Universities, 2022, 43(7): 20220395.
[7]	WANG Lijun, LI Xin, HONG Song, ZHAN Xinyu, WANG Di, HAO Leiduan, SUN Zhenyu. Efficient Electrocatalytic CO₂ Reduction to CO by Tuning CdO-Carbon Black Interface [J]. Chem. J. Chinese Universities, 2022, 43(7): 20220317.
[8]	YANG Lijun, YU Yang, ZHANG Lei. Construction of Dual-functional 2D/3D Hydrid Co₂P-CeO _x Heterostructure Integrated Electrode for Electrocatalytic Urea Oxidation Assisted Hydrogen Production [J]. Chem. J. Chinese Universities, 2022, 43(6): 20220082.
[9]	XIA Tian, WAN Jiawei, YU Ranbo. Progress of the Structure-property Correlation of Heteroatomic Coordination Structured Carbon-based Single-atom Electrocatalysts [J]. Chem. J. Chinese Universities, 2022, 43(5): 20220162.
[10]	ZHANG Hongwei, CHEN Wen, ZHAO Meiqi, MA Chao, HAN Yunhu. Research Progress of Single Atom Catalysts in Electrochemistry [J]. Chem. J. Chinese Universities, 2022, 43(5): 20220129.
[11]	WU Jun, HE Guanchao, FEI Huilong. Self-supported Film Electrodes Decorated with Single Atoms for Energy Electrocatalysis [J]. Chem. J. Chinese Universities, 2022, 43(5): 20220051.
[12]	CHEN Changli, MI Wanliang, LI Yujing. Research Progress of Single Atom Catalysts in Electrochemical Hydrogen Cycling [J]. Chem. J. Chinese Universities, 2022, 43(5): 20220065.
[13]	CHEN Zhaoyang, XUE Yurui, LI Yuliang. Synthesis and Applications of Graphdiyne Based Zerovalent Atomic Catalysts [J]. Chem. J. Chinese Universities, 2022, 43(5): 20220063.
[14]	WANG Zumin, MENG Cheng, YU Ranbo. Doping Regulation in Transition Metal Phosphides for Hydrogen Evolution Catalysts [J]. Chem. J. Chinese Universities, 2022, 43(11): 20220544.
[15]	DING Qin, ZHANG Zixuan, XU Peicheng, LI Xiaoyu, DUAN Limei, WANG Yin, LIU Jinghai. Effects of Cu， Ni and Co Hetroatoms on Constructions and Electrocatalytic Properties of Fe-based Carbon Nanotubes [J]. Chem. J. Chinese Universities, 2022, 43(11): 20220421.

Core-shell Heterostructure Construction Between Thiospinel CuCo₂S₄ and MoS₂ for Improved Hydrogen Evolution Electrocatalytic Performance

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