2017年12月4日 by MaterialsViews编辑部

原题目：适用于HER, OER, ORR及锌-空气电池的多功能Mo–N/C@MoS2 电催化剂

氢燃料电池技术对电动汽车等发展有着革命性的影响。但燃料电池的大规模应用一方面需要廉价、高效的电催化剂；另一方面需要解决高品质氢气（H2）燃料的供应问题。众所周知，H2可以通过水分解产生，但是，水具有较高的稳定性，需要高效的电催化剂来驱动电解池阴极处的析氢反应（HER）以及阳极处的析氧反应(OER)。此外，可充放的全固态锌-空气电池（ZABs）由于具有理论能量密度高（高达?1086 Wh?kgZn-1）和结构简单的优点，对未来的柔性和可穿戴电子设备的应用和发展将具有重大的推动作用。但是，空气电极侧缓慢的ORR/OER动力学严重阻碍了ZABs的实际应用及发展。当前，贵金属(如Pt，Rh，Ir等)基电催化剂虽然对HER，ORR或OER表现出较高的催化活性，但高昂的价格、资源极度匮乏及稳定性差等缺点导致其难以被实际应用。因此，迫切需要找到具有较高活性、稳定性且价格低廉的HER，ORR和OER非贵金属电催化剂来满足日益增长的新能源器件/装置的发展需求。为此，人们纷纷开展了相关非贵金属催化剂的研究，并取得了积极的进展。其中，基于过渡金属-氮-碳（M-N-C）体系的石墨烯等二维材料、过渡金属二硫化物(MoS2) 二维材料和金属-有机框架碳化复合材料等因具有成本低和催化活性高的优势获得了人们的广泛的关注。但通过综合考虑上述催化剂的优势，并引入Mo-N等新的界面耦合活性中心，从而设计和构筑出具有三效催化剂活性位点和对HER、ORR、OER均表现出高的催化活性的多功能电催化剂仍鲜有报道。

近日，武汉理工大学木士春教授课题组设计并构筑了由二维（2D）MoS2纳米片垂直包覆MOF衍生的三维（3D）类石墨烯N/C异质结构电催化剂。值得指出的是，该催化剂出现了新的相，即Mo-N界面相。Mo-N界面耦合活性中心的形成得益于Mo与类石墨烯粒子在N/C框架表面发生催化反应。所得的Mo-N/C@MoS2催化剂可具有三相活性位点（MoS2边缘活性中心、Mo-N界面耦合活性中心、N-C活性中心），使其作为多功能电催化剂成为可能。实验结果表明，Mo-N/C@MoS2电催化剂在析氢反应（HER，ηj=10 ～117 mV）、析氧反应（OER，ηj=10 ～0.39 V）以及氧还原反应（ORR，E1/2 ～0.81 V）中表现出高的电催化活性和稳定性，是一种高效的多功能电催化剂。有趣的是，将该催化剂用作锌空电池阴极催化剂时，在5mA毫安电流密度下的效率达到了63.9%，在可充放电的全固态锌空电池中的开路电压达到了1.34V。电池的能量密度高达846.07 Wh kgZn–1，为理论能量密度的77.9%。Mo-N/C@MoS2优异的多功能电催化性能应归因于各化学组分间的协同效应和独特的三相活性位点，其中MoS2纳米片边缘裸露的活性位点、Mo-N界面耦合中心的活性位点及N / C框架中邻近碳原子的N诱导活性位点均发挥了重要的作用；此外，分层孔隙结构和高比表面积提升了扩散和质量传输能力，也是电催化剂性能提高一个重要原因。通过DFT理论计算进一步表明，Mo-N是最佳的活性位点，对Mo-N/C@MoS2的催化性能有着非常重要的影响。因此，该工作有望为快速发展的多功能性电催化剂和电化学能源器件的研究和开发提供新的材料设计方向。相关文章在线发表在http://onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1002/adfm.201702300/full上。