Spanning op monolaag MoS₂/hBN-grensvlakken verbetert de waterstofontwikkelingsreactieactiviteit

Onlangs rapporteerde het onderzoeksteam onder leiding van prof. Wang Bin van het Nationaal Centrum voor Nanowetenschappen en Technologie (NCNST) van de Chinese Academie van Wetenschappen dat spanning gegenereerd bij bellen van 2D-materialen de katalytische activiteit van waterstofevolutiereactie (HER) ten goede zou kunnen komen. De studie werd gepubliceerd in Chemische katalyse.

Groene waterstof geproduceerd door elektrochemische watersplitsing biedt de potentie om CO2-neutrale productieprocessen te realiseren. Katalysatoren spelen een cruciale rol bij het faciliteren van HER aan de anode, waardoor het een sleutelcomponent wordt in de transitie naar een duurzame energietoekomst.

Overgangsmetaaldichalcogeniden (TMD’s), met name MoS₂, hebben de aandacht gevestigd op het vervangen van op platina gebaseerde materialen. Een reeks strategieën zoals defecten, doping, leegstand en interface-engineering zijn geïmplementeerd om de katalytische activiteit van de MoS te verbeteren.₂ basaal vlak voor de HER.

De invloed van microstructuren die buiten het vlak liggen (zoals rimpels of rimpelingen, krullen of vouwen en belletjes) wordt echter vaak over het hoofd gezien, die vaak voorkomen in 2D-materialen vanwege hun flexibiliteit. Daarom is de correlatie tussen de actieve plaatsen en de geteste prestaties van katalysatoren nog steeds twijfelachtig, vooral gezien de gemakkelijke verschijning van gebogen morfologie in praktische katalysatoren.

In deze studie realiseerde het team van prof. Wang, geïnspireerd door de bellen die via de top-down benadering werden vervaardigd, het afstemmen van bellen met verschillende “substraatvrije” krommingen op de grensvlakken tussen monolaag MoS₂ en hBN door een druppelondersteunde overdrachtsmethode.

Berekeningen met eindige-elementenmodellering (FEM) toonden een geleidelijke toename van de spanningsverdeling aan, die zich verplaatste van de periferie van de bel naar het midden ervan. Grote bellen kunnen spanningsniveaus van wel 1,74% bereiken.

Dichtheidsfunctionaaltheorie (DFT) toonde aan dat deze bellen spanningsvorming op MoS veroorzaken₂, wat de adsorptie van protonen en HER-kinetiek verbetert. Bijgevolg was er een aanzienlijke toename van de HER-activiteit, met waarden die 129,65 mA cm bereikten^-2 vergeleken met 48,11 mA cm^-2 bij -0,4 V versus omkeerbare waterstofelektrode (RHE).

“Ons team heeft een innovatieve methode ontdekt voor het vervaardigen van bellen, die nauwkeurig maatwerk mogelijk maakt en inzicht geeft in de diepgaande invloed van bellen op de spanningsverdeling. Experimentele resultaten toonden aan dat het spanningsniveau dat gepaard gaat met grotere bellen de typische door roostervervorming geïnduceerde spanningen overtreft.

“Wij geloven dat deze bevinding belangrijke implicaties heeft voor het begrijpen van de ingewikkelde relatie tussen structuren buiten het vlak en de intrinsieke materiaaleigenschappen”, aldus prof. Wang.

Bovendien hebben theoretische studies aangetoond dat de spanning die in dergelijke structuren buiten het vlak optreedt, de elektronische structuur kan afstemmen en zo de protonadsorptieprestaties van katalysatoren kan aanpassen, wat niet alleen een efficiëntere en stabielere katalysator voor de productie van waterstofenergie oplevert, maar ook de drijvende kracht kan zijn achter de productie van waterstofenergie. technologische vooruitgang op andere aanverwante gebieden.