2017年12月4日 by MaterialsViews編輯部
原題目：適用于HER, OER, ORR及鋅-空氣電池的多功能Mo–N/C@MoS2 電催化劑
氫燃料電池技術對電動汽車等發展有著革命性的影響。但燃料電池的大規模應用一方面需要廉價、高效的電催化劑；另一方面需要解決高品質氫氣（H2）燃料的供應問題。眾所周知，H2可以通過水分解產生，但是，水具有較高的穩定性，需要高效的電催化劑來驅動電解池陰極處的析氫反應（HER）以及陽極處的析氧反應(OER)。此外，可充放的全固態鋅-空氣電池（ZABs）由于具有理論能量密度高（高達?1086 Wh?kgZn-1）和結構簡單的優點，對未來的柔性和可穿戴電子設備的應用和發展將具有重大的推動作用。但是，空氣電極側緩慢的ORR/OER動力學嚴重阻礙了ZABs的實際應用及發展。當前，貴金屬(如Pt，Rh，Ir等)基電催化劑雖然對HER，ORR或OER表現出較高的催化活性，但高昂的價格、資源極度匱乏及穩定性差等缺點導致其難以被實際應用。因此，迫切需要找到具有較高活性、穩定性且價格低廉的HER，ORR和OER非貴金屬電催化劑來滿足日益增長的新能源器件/裝置的發展需求。為此，人們紛紛開展了相關非貴金屬催化劑的研究，并取得了積極的進展。其中，基于過渡金屬-氮-碳（M-N-C）體系的石墨烯等二維材料、過渡金屬二硫化物(MoS2) 二維材料和金屬-有機框架碳化復合材料等因具有成本低和催化活性高的優勢獲得了人們的廣泛的關注。但通過綜合考慮上述催化劑的優勢，并引入Mo-N等新的界面耦合活性中心，從而設計和構筑出具有三效催化劑活性位點和對HER、ORR、OER均表現出高的催化活性的多功能電催化劑仍鮮有報道。
近日，武漢理工大學木士春教授課題組設計并構筑了由二維（2D）MoS2納米片垂直包覆MOF衍生的三維（3D）類石墨烯N/C異質結構電催化劑。值得指出的是，該催化劑出現了新的相，即Mo-N界面相。Mo-N界面耦合活性中心的形成得益于Mo與類石墨烯粒子在N/C框架表面發生催化反應。所得的Mo-N/C@MoS2催化劑可具有三相活性位點（MoS2邊緣活性中心、Mo-N界面耦合活性中心、N-C活性中心），使其作為多功能電催化劑成為可能。實驗結果表明，Mo-N/C@MoS2電催化劑在析氫反應（HER，ηj=10 ～117 mV）、析氧反應（OER，ηj=10 ～0.39 V）以及氧還原反應（ORR，E1/2 ～0.81 V）中表現出高的電催化活性和穩定性，是一種高效的多功能電催化劑。有趣的是，將該催化劑用作鋅空電池陰極催化劑時，在5mA毫安電流密度下的效率達到了63.9%，在可充放電的全固態鋅空電池中的開路電壓達到了1.34V。電池的能量密度高達846.07 Wh kgZn–1，為理論能量密度的77.9%。Mo-N/C@MoS2優異的多功能電催化性能應歸因于各化學組分間的協同效應和獨特的三相活性位點，其中MoS2納米片邊緣裸露的活性位點、Mo-N界面耦合中心的活性位點及N / C框架中鄰近碳原子的N誘導活性位點均發揮了重要的作用；此外，分層孔隙結構和高比表面積提升了擴散和質量傳輸能力，也是電催化劑性能提高一個重要原因。通過DFT理論計算進一步表明，Mo-N是最佳的活性位點，對Mo-N/C@MoS2的催化性能有著非常重要的影響。因此，該工作有望為快速發展的多功能性電催化劑和電化學能源器件的研究和開發提供新的材料設計方向。相關文章在線發表在http://onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1002/adfm.201702300/full上。