​AFM：1T’RexMo1-xS2-2H MoS2横向异质结增强析氢反应性能

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空间异质结提高催化活性

​AFM：1T’RexMo1-xS2-2H MoS2横向异质结增强析氢反应性能
就全球能源需求和环境污染问题而言，氢气是一种很有前景的清洁能源可以有效地解决能源危机。例如，氢气可以用作运输的资源，氨生产中的Haber过程以及燃料电池装置。虽然氢气主要是由化石燃料通过蒸汽-甲烷重整、重烃的部分氧化和煤炭气化产生的，但这类燃料的使用通过排放温室气体，如CO2和CH4以及能源的消耗，加剧了全球变暖的问题因此，必须开发新的技术，从可持续的资源生产氢气，而不排放温室气体。电解水具有水资源丰富、环境相容性好、可大量生产等优点，是一种很有前景的产氢方法。特别是它可以通过使用可再生能源资源，包括太阳能和风能，以实现能源可持续发展。为了减少电解水的能量消耗，需要高效的电催化剂。铂（Pt）族贵金属对阴极析氢反应（HER）具有最佳的催化性能；然而，它们是稀有材料，因此价格昂贵。
基于此，淑明女子大学Kim Soo Min，东国大学Han Young-Kyu和成均馆大学Kim Ki Kang（共同通讯）等人报道了1T’RexMo1-xS2和2H MoS2之间的空间异质结对催化活性的提高。
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线性扫描伏安法中的极化曲线以Gr<2H MoS2<1T’ReS2<1T’ReS2<1T’Re0.76Mo0.24S2 <侧向异质结的顺序向Pt 参考移动，其Tafel斜率以相同的顺序下降。在10 mA cm-2电流密度和58 mV dec-1的Tafel斜率下，1T’RexMo1-xS2-2H MoS2横向异质结催化剂达到了-0.084 V的低过电位。此外，在酸性介质中，使用计时电位法（10 mA cm-2）测试了1T’RexMo1-xS2-2H MoS2横向异质结的稳定性，时间为1800秒。电位在前100秒略有增加，之后几乎没有变化，测试结果表明1T’RexMo1-xS2-2H MoS2横向异质结的稳定性。即使加入新的电解质，1T’RexMo1-xS2-2H MoS2横向异质结催化剂在10 mA cm-2的电流密度下保持其催化活性大于1800秒。1T’RexMo1-xS2-2H MoS2横向异质结催化剂具有良好的稳定性和优越的催化性能是电化学制氢的有希望的候选材料。
此外，电化学阻抗谱也测试和计算了所有样品的溶液电阻和电荷转移电阻，1T’RexMo1-xS2-2H MoS2横向异质结催化剂的电荷转移电阻最低，因此在电化学反应过程中电子转移更快。因此，电化学阻抗谱分析的结果与HER 性能一致。结果表明，1T’RexMo1-xS2-2H MoS2横向异质结催化剂在所有过渡金属二硫化物催化剂中具有最好的HER催化性能。
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采用密度泛函理论（DFT）计算了异质结结构引起的催化活性变化。氢吸附自由能（ΔGH*）是评价催化剂HER活性的重要参数。值得注意的是，富Mo异质结（-0.75 eV）的形成能大大低于富Re异质结（-0.06 eV）的形成能。这表明富Mo异质结的形成是非常有利的，具有很高的结构稳定性。1T’Re0.71Mo0.29S2的ΔGH*从0.25到0.57 eV（平均0.41 eV）强烈受到异质结形成的影响。
有趣的是，富Mo 异质结的ΔGH*值低于1T’Re0.71Mo0.29S2的ΔGH*值，最小值为0.07 eV（平均0.26 eV），接近于零。而富Re异质结的S原子表现出更高的最小值为0.38 eV（平均0.65 eV）。富Mo异质结的低 ΔGH以及结构稳定性，很好地解释了催化活性增强的原因。
总之，从2H MoS2到1T′RexMo1−xS2的电子转移和1T′RexMo1−xS2中接近0的ΔGH*在异质结附近提高了HER性能。在1T′RexMo1−xS2-2H MoS2异质结处，形成了结构稳定性高的富Mo异质结，并且随着费米能级附近态密度的增加和富Mo异质结的最优ΔGH*的结合，HER性能得到了极大的提高。本文研究结果为设计更高效、更稳定的全解水电催化剂提供了一种新方法。
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1T’ RexMo1-xS2-2H MoS2 Lateral Heterojunction for Enhanced Hydrogen Evolution Reaction Performance, Advanced Functional Materials, 2022, DOI：10.1002/adfm.202209572.
https://doi.org/10.1002/adfm.202209572.

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