Nyligen rapporterade forskargruppen under ledning av prof. Wang Bin vid National Center for Nanoscience and Technology (NCNST) vid den kinesiska vetenskapsakademin att spänningar som genereras vid bubblor av 2D-material kan gynna den katalytiska aktiviteten av väteutvecklingsreaktionen (HER). Studien publicerades i Chem Catalysis .
Grönt väte som produceras genom elektrokemisk vattenklyvning erbjuder potentialen att uppnå koldioxidneutrala produktionsprocesser. Katalysatorer spelar en avgörande roll för att underlätta HER vid anoden, vilket gör den till en nyckelkomponent i övergången till en hållbar energiframtid.
Övergångsmetalldikalkogenider (TMD), särskilt MoS2 , har uppmärksammat att ersätta platinabaserade material. En rad strategier som defekt, dopning, vakans och gränssnittsteknik har implementerats för att förbättra den katalytiska aktiviteten hos MoS2 basalplan för HER.
Inverkan av mikrostrukturer utanför planet (som rynkor eller krusningar, rullningar eller veck och bubblor) har dock ofta förbisetts, som vanligtvis finns i 2D-material på grund av deras flexibilitet. Därför är korrelationen mellan de aktiva platserna och den testade prestandan hos katalysatorer fortfarande tveksam, särskilt med tanke på det lätta utseendet av krökt morfologi i praktiska katalysatorer.
I den här studien insåg Prof. Wangs team, inspirerat av bubblorna som tillverkades via top-down-metoden, skräddarsydd av bubblor med olika "substratfri" krökning vid gränssnitten mellan monolager MoS2 och hBN med en droppassisterad överföringsmetod.
Beräkningar av finita elementmodellering (FEM) visade en gradvis ökning av töjningsfördelningen, som rörde sig från bubblans periferi mot dess mitt. Stora bubblor kan nå spänningsnivåer så höga som 1,74 %.
Densitetsfunktionella teorin (DFT) visade att dessa bubblor inducerar stambildning på MoS2 , vilket förbättrar adsorptionen av protoner och HER-kinetiken. Följaktligen skedde en avsevärd ökning av HER-aktiviteten, med värden som nådde 129,65 mA cm -2 jämfört med 48,11 mA cm -2 vid -0,4 V vs. reversibel väteelektrod (RHE).
"Vårt team har upptäckt en innovativ metod för att tillverka bubblor, som möjliggör exakt anpassning och ger insikter om bubblornas djupa inverkan på stamfördelningen. Experimentella resultat visade att deformationsnivån som är förknippad med större bubblor överträffar de typiska gallerdistorsionsinducerade stammar.
"Vi tror att detta fynd har viktiga implikationer för att förstå det intrikata förhållandet mellan strukturer utanför planet och de inneboende materialegenskaperna", säger prof. Wang.
Dessutom visade teoretiska studier att stammen som förekom i sådana strukturer utanför planet kunde ställa in den elektroniska strukturen och därmed justera protonadsorptionsprestanda hos katalysatorer, vilket inte bara ger en mer effektiv och stabil katalysator för väteenergiproduktion utan också kan driva tekniska framsteg inom andra relaterade områden.
Mer information: Junjie Xiong et al, stam härledd från bubblor vid monolager MoS2/hBN-gränssnitt för ökad väteutvecklingsreaktionsaktivitet, Kemkatalys (2024). DOI:10.1016/j.checat.2024.100951. www.cell.com/chem-catalysis/ab … 2667-1093(24)00075-7
Tillhandahålls av Chinese Academy of Sciences
