JACS：1T’相ReS2xSe2(1-x)(x=0-1)纳米点的制备、及其高效电催化氢析

【引言】

氢气虽然是清洁能，但是可靠的析氢反应（HER）需要稳定、高效的催化剂。析氢反应（HER）的高效电催化剂的合理设计和合成，对于实现可持续的氢经济至关重要。近年来，人们致力于探索具有低过电位和高水分解效率的电催化剂，发现MoS₂等分层过渡金属二硫族化合物（TMD）纳米材料具有替代商业铂基的催化剂的潜能。最近，在2H-相TMD纳米材料的边缘发现了电催化HER的活性位点，因此TMD纳米材料的小尺寸可以暴露更多活性位点。另外，TMD纳米材料的晶体结构也能促进其催化活性。在此基础上，本文通过结合化学气相传输（CVT）和化学嵌入Li的方法，发现了一种新1T'相ReS_2xSe_2(1-x)(x=0-1)纳米点催化剂，具有最高的析氢活性，适用于大规模生产。

【成果简介】

近日，新加坡南洋理工大学的张华和新加坡滚球体育 研究局的Yonghua Du（共同通讯）作者等人，结合化学气相传输和Li插层，制备了一系列1T'相ReS_2xSe_2(1-x)(x=0-1)纳米点，可以在酸性介质中实现高性能HER。其中，1T'相ReSSe纳米点，表现出最高的析氢活性，Tafel斜率为50.1 mV dec^-1，在10 mA cm^-2的电流密度下，具有84 mV的低过电位。原因是高度不对称的1T'晶体结构中，不对称S空位导致活性位点具有最佳氢吸收能量。相关成果以“Preparation of 1T′-Phase ReS_2xSe_{2(1-x)(x=0-1)}Nanodots for Highly Efficient Electrocatalytic Hydrogen Evolution Reaction”为题发表在Journal of the American Chemical Society上。

【图文导读】

图1 ReSSe ND的合成过程和表征图

（a）ReESe模拟结构和ReESe ND合成过程示意图；

（b）ReSSe ND的低倍TEM图像（插图：ReSSe ND的尺寸分布）；

（c）ReSSe ND的HRTEM图像。；

（d）单个ReSSe ND的HRTEM图像；

（e）单个ReSSe纳米点的HAADF-STEM图像；

（f）ReSSe ND的EDS谱图；

（g）ReESe ND稀释溶液的紫外可见光谱（插入：ReSeND溶液的光学照片）；

（h）ReSSe ND的AFM图像；

（i）AFM图中110 ReSSe ND高度统计图。

图2 ReSSe晶体和NDs的XPS和XANES谱图

（a）ReSSe晶体和NDs中，Re 4f的XPS谱图；

（b）ReSSe晶体和NDs中，S 2p和Se 3p的XPS谱图；

（c）ReSSe晶体和NDs的XANES谱图；

（d）ReSSe晶体和ND的Re L₃-边缘，EXAFS光谱的傅立叶变换k³加权χ（k）函数图。

图3 ReSSe ND的电催化HER性能图

（a）在0.5 M H₂SO₄水溶液中，Pt/C，ReSSe块体和ReS₂，ReSSe和ReSe₂ND的极化曲线图；

（b）是（a）中催化剂的Tafel斜率图；

（c）ReSSe块体，ReS₂NDs，ReSSe NDs，ReSe₂NDs的Nyquist图（插图：（左下）对应的拟合等效电路，（右上）用红色虚线正方形表示的区域的放大图）；

（d）在0.5 M H₂SO₄水溶液中，ReSSe ND的20000次电势循环前后的极化曲线对比图。

图4 ReS₂，ReS₂和ReESe中，不同类型S/Se空位的理论计算结果

（a）用ReS₂边缘，ReSe₂边缘，ReSSe边缘，ReS2 L_S-V，ReSe₂L_Se-V和ReSSe L_S-V结合的H原子的示意图；

（b）1T'-ReS₂，1T'-ReSe₂和1T'-ReSSe NDs边缘位点和空位点的计算自由能（ΔGH^*）与HER的反应位点关系图。

【小结】

本文采用CVT与化学Li嵌入相结的方法，采用ReS₂，ReS_1.8Se_0.2，ReS₁粉末，制备超小的1T'-ReS_2xSe_2（1-x）ND。微调ReS_2xSe_2（1-x）块状晶体的化学组成，获得具有高密度活性边缘位点和活性低位点S空位的1T'-ReSSe ND，其能够增强HER的电催化活性。在10 mA cm^-2的电流密度下，ReSe₂NDs具有低过电位84 mV，Tafel斜率为50.1 mV dec^-1，并具有出色的长期耐用性。这项工作可能为原子水平上，合理设计和合成具有不对称结构的高效1T'相TMD催化剂，开辟了一条新途径。

文献链接：Preparation of 1T′-Phase ReS_2xSe_{2(1-x)(x=0-1)}Nanodots for Highly Efficient Electrocatalytic Hydrogen Evolution Reaction（JACS, 2018, DOI: 10.1021/jacs.8b04513）。

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