Frontiers in Energy: 有序介孔结构MoS2/TiO2/p-Si光电极的设计及在分解水制氢中的应用

Frontiers in Energy: 有序介孔结构MoS2/TiO2/p-Si光电极的设计及在分解水制氢中的应用

近日,上海交通大学张鹏教授和刘静老师团队在Frontiers in Energy发表了题为Enhancing the photoelectrochemical performance of p-silicon through TiO2 coating decorated with mesoporous MoS2的研究论文。该文提供了一种利用高活性、高稳定性的表面助催化剂来增强光电极的催化性能及保护光电极的有效策略。通过纳米铸造的方法制备了高度有序的介孔 MoS2 纳米颗粒,并将其负载到TiO2 保护的 p-Si基底上。为了改善催化剂与Si半导体之间耦合困难、界面结合力低等问题,在Si基底和MoS2颗粒之间又另外引入了TiO2粘接层。所得的 meso-MoS2/TiO2/p-Si 复合光电阴极表现出显着增强的 PEC 性能。在0.5 M H2SO4电解液中,起始电位为+0.06 VRHE,0 VRHE时的光电流超过了−1.8 mA/cm2,法拉第效率接近100%。此外,在碱性环境中该复合光电极也表现出优异的PEC性能和结构稳定性。

研究背景及意义

随着经济的高速发展和人口的快速增长,能源和环境问题正成为全球关注的焦点问题。氢气由于其清洁、分子量小和高能量密度,被视为是理想的能量载体,并有望缓解能源和环境危机。直接利用太阳能驱动水分解以化学键的形式来收集和储存太阳能,是一种更加清洁、可持续、可再生的产氢途径,因此开发高性能、低成本的光电化学析氢装置受到越来越多研究者们的关注。为了使太阳能-氢能转化(STH)效率达到10%的商业实用目标,所选的光电阴极和阳极在全太阳光谱下光电流要能够达10 mA/cm2,同时要求阴极导带能级在水的还原电势之上,这使得可选的半导体材料只能限制在硅(Si)以及少量III-V材料上,如Gap、Inp或其合金。相比于Inp,硅的价格便宜、储量丰富,工艺成熟,更加适合作为底层光电阴极半导体。近年来,研究人员在硅基光电极的研究方面取得了较大的进展。然而,目前硅基光电极材料面临着HER动力学缓慢、稳定性差等一系列问题,严重阻碍了其实际应用。本课题通过开发高活性的介孔MoS2表面助催化剂,探究MoS2的形貌结构与催化活性的关系,表面助催化剂对复合光电极催化性能的影响,以及二氧化钛粘结层对其稳定性的影响,以改进基于成本更低廉的Si基半导体的光电催化性能和稳定性。实验结果表明,有序介孔结构的MoS2催化剂具有更高的表面催化活性,且所开发的表面助催化剂的负载策略能够显著提高商业平面Si的光电催化性能和稳定性。

研究内容及主要理论

以有序介孔结构的KIT-6为模板,通过纳米铸造的方法合成有序介孔结构 MoS2(meso-MoS2)。对所制备的催化剂进行了结构表征,探究了结构与比表面积的关系,以及形貌结构对光电极表面催化活性的影响。TEM照片(图1a)可以看出明显的有序介孔结构的薄片状MoS2,这种片状分布的结构暴露出大量利于析氢反应的活性边缘。通过N2吸附-脱附等温曲线进一步表征(图1b, c),可观察到在中压区域出现明显的滞后环,说明存在大量的介孔结构,通过BET模型得出的比表面积为587.613 m2/g−1,而传统纳米花状结构的MoS2(nano-MoS2)比表面积仅为 10.530 m2/g−1左右。比表面积的显著增加和介孔结构的形成为电荷转移、氢气扩散和活性边缘的暴露提供了有利条件。如图2所示,在酸性和碱性环境中,meso-MoS2的电化学活性面积都远大于相应nano-MoS2电化学活性面积,表明介孔结构的MoS2能够为复合光电阴极的表面还原反应提供更大的有效面积和活性边缘位点,从而有助于提高催化活性。

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图1

(a) meso-MoS2的TEM图。

(b) meso-MoS2的N2吸附-脱附等温曲线和孔径分布。

(c) nano-MoS2的N2吸附-脱附等温曲线和孔径分布。

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图2

(a-b)meso-MoS2/TiO2/p-Si和nano-MoS2/TiO2/p-Si在0.1 VRHE处,分别在0.5 M H2SO4和1.0 M KOH中电流密与扫描速率拟合曲线。


如图3所示,在0.5 M H2SO4溶液中,和没有负载meso-MoS2的光电极(TiO2/p-Si)相比,修饰了meso-MoS2的复合光电极产氢性能得到明显的提升,起始电位仅为0.06 VRHE,在0 VRHE时的光电流超过了−1.8 mA/cm2。产氢速率也高于相应的nano-MoS2修饰的光电极,相应的法拉第效率接近于100%。在碱性溶液中的表现也均优于nano-MoS2/TiO2/p-Si。EIS的结果也表明,和负载nano-MoS2助催化剂的光电极相比,修饰meso-MoS2后的固/液界面的电荷转移电阻明显减小,说明meso-MoS2的负载更能够促进表面的反应速率。

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图3

(a-b) 在光照下,不同样品分别在0.5 M H2SO4和1.0 M KOH溶液中的斩波LSV曲线。

(c-d)meso-MoS2和nano-MoS2分别在0.5 M H2SO4和1.0 M KOH溶液中的Nyquist阻抗图。


如图4所示,对该光电极进行了稳定性测试,经30 h 测试之后,电流并没有明显的衰减,将测试后的样品进行SEM表征,可观察到大部分meso-MoS2颗粒仍然分散在p-Si表面,表明催化剂可以在TiO2层和粘结层的保护下稳定地存在于p-Si 表面。此外,在meso-MoS2颗粒的下层观察到更致密的颗粒,这可能是由于长期实验导致的p-Si表面腐蚀造成的。

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图4 

(a) meso-MoS2/TiO2/p-Si分别在–0.15VRHE下,0.5M H2SO4溶液中和在在–0.15VRHE下,1.0M KOH溶液中的稳定性曲线。

(b) meso-MoS2/TiO2/p-Si在–0.15VRHE下,0.5M H2SO4溶液中测试30h后的SEM图。


上述结果表明,meso-MoS助催化剂可以极大地促进复合光电阴极的PEC活性,并有望成为贵金属基助催化剂的替代品。

研究亮点

1. 通过纳米铸造的方法首次合成了有序介孔结构的MoS2催化剂,极大地增加了MoS2的比表面积,同时暴露出更多的活性边缘,为表面析氢反应提供了更多活性位点。

2. 通过催化剂在光电极基底表面直接涂覆并在界面处引入TiO2粘接层,开发了预合成的催化剂与半导体基底耦合新方法,成功构建了meso-MoS2/TiO2/Si的光电阴极结构。实验结果表明meso-MoS2电催化剂能够明显提升Si基光电极表面反应动力学,在30h稳定性测试中光电流未明显衰减,光电极表面也表现出了良好的抗腐蚀性能。TiO2粘接法的优越性在于:(1)催化活性和稳定性好,此方法通过在催化剂和基底界面处粘接可以保证催化剂活性位点与电解液充分接触,同时增大接触面积利于载流子输运;(2)化学键耦合牢固性高,加强催化剂与基底的相互作用;(3)简易且具有通用性,该策略具有简易操作性,成本低廉,可大规模生产,同时具有一定的推广性。此方法为催化剂/半导体基底耦合方式提供了良好的解决方案,为构建基于高活性电催化剂和高效率的半导体基底的光电极器件提供了有前景的研究基础。

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通讯作者简介


张鹏,上海交通大学材料科学与工程学院教授,博士生导师。从事材料热力学、材料化学、能源材料科学与技术等课程的教学工作。

主要研究方向:(1)纳米复合结构及其催化性能研究;(2)光电转化材料及其性能研究:研究半导体以及金属纳米颗粒的复合结构用于光电转换的研究。


刘静,上海交通大学材料科学与工程系讲师,硕士生导师。从事Composite Materials、能源材料科学与技术等课程的教学工作。

主要研究方向:(1) 无机纳米复合结构及其催化性能研究;(2) 光电转化、电催化材料及其性能研究;(3) 纳米陶瓷材料的成型与性能研究。


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Frontiers in Energy (SCI,2020 IF 2.709)于2007年创刊,是能源领域综合性英文学术期刊。主编是翁史烈院士、倪维斗院士、苏义脑院士和彭苏萍院士。执行主编是上海交通大学黄震院士。出版能源领域原创研究论文、综述、科学快报、专题论文等。特别关注可再生能源、未来能源、超常规能源、2030能源、微/纳米能源、能源与环境等全球能源的重大挑战问题。

 涉及领域包括(不限于):先进的能源材料,储能与应用,氢能与燃料电池,CO2 捕集、封存和利用,太阳能和光伏系统,生物燃料和生物能源,地热能,风能,地热能,潮汐能,核能,传热传质技术,能源与环境,建筑节能及能源经济政策等。


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