MoS2 mit kontrollierter Dicke für die elektrokatalytische Wasserstoffentwicklung

Einführung

Wasserstoffenergie hat sich aufgrund seiner eigenen Vorteile (z. Die Wasserstofferzeugung durch Elektrolyse von Wasser gilt als grüne Wasserstofferzeugungstechnologie, da sie die Abhängigkeit von kohlenstoffhaltigen fossilen Brennstoffen beseitigen kann [4, 5]. Obwohl die Wasserstoffentwicklungsreaktion (HER) Wasserstoff produzieren kann, waren sein hoher Energieverbrauch und seine geringe Ausbeute schon immer ein Problem [6]. Auf Platin (Pt) basierende Edelmetallkatalysatoren haben eine starke katalytische Aktivität gezeigt, aber ihre höheren Preise und geringeren Reserven haben ihre Anwendung in der Industrie verhindert [7]. Daher ist die Erforschung und Entwicklung von Nichtedelmetall-Katalysatoren mit reichlichen Reserven, niedrigem Preis, hoher Effizienz und Haltbarkeit eine wichtige Strategie zur Förderung der Anwendung von Wasserstoffenergie, die zu einem der wichtigsten Forschungs-Hotspots geworden ist [8,9,10] .

Derzeit werden Übergangsmetalloxide, Sulfide, Phosphide, Nitride, Carbide, Legierungen und andere Katalysatoren für die HER entwickelt [11,12,13,14,15]. Darunter Molybdändisulfid (MoS₂ ) hat in katalytischen Zentren eine ähnliche Aktivität wie Pt und wird theoretisch zu einem bevorzugten Pt-Ersatzmaterial in Nichtedelmetallchalkogeniden [16]. Im Gegensatz zur Massenphase ist das zweidimensionale (2-D) MoS₂ mit geschichteter Struktur weist einzigartige Oberflächeneffekte, kleine Größeneffekte und makroskopische Quantentunneleffekte auf, was die zugehörige HER-Leistung erheblich verbessert [17, 18]. Das 2-D-MoS₂ ist anfällig für Stapelung, was die Anzahl der aktiven Kantenzentren verringert und die Wasserstoffproduktion beeinflusst [19]. Um die aktiven Zentren von MoS₂ . voll auszunutzen , ein paar Schichten MoS₂ werden versucht herzustellen. Die üblichen Herstellungsverfahren umfassen hauptsächlich das „Top-Down“-Verfahren, das durch das mikromechanische Kraftstrippen repräsentiert wird, die Lithium-Ionen-Interkalation, das Flüssigphasen-Ultraschallverfahren und das „Bottom-Up“-Verfahren, repräsentiert durch die thermische Hochtemperaturzersetzung, Aufdampfen, hydrothermale Methode [20,21,22]. Unter diesen ist „von oben nach unten“ schwer eine hocheffiziente, reproduzierbare Fertigung zu erreichen, und „von unten nach oben“ ist relativ kontrollierbar und hat ein breites Anwendungsspektrum. Die chemische Gasphasenabscheidung (CVD) ist ein repräsentatives Verfahren zur Herstellung von weniger Schichten von MoS₂ Filme [23]. Obwohl das MoS₂ Durch CVD hergestellte Filme weisen eine hohe Qualität auf, wie z. B. eine ebene Oberfläche, weniger Gitterverzerrung und andere Defekte, CVD kann MoS₂ . nicht gleichmäßig produzieren auf der Oberfläche einer Struktur mit hohem Aspektverhältnis [24]. Außerdem kann das CVD-Verfahren wegen der geringen Stabilität und der geringen Wiederholbarkeit nicht zur Herstellung von MoS₂ . verwendet werden mit großem Maßstab.

Als speziell modifiziertes CVD-Verfahren wird auch die Atomic Layer Deposition (ALD) zur Herstellung von Dünnschichtmaterialien eingesetzt [25]. In einem ALD-Zyklus wird durch eine selbstlimitierende chemische Reaktion eine vollständige Reaktion in zwei Halbreaktionen unterbrochen [26]. Erst wenn die aktiven Zentren der Oberfläche erschöpft sind, stoppt die erste Halbreaktion, und dann wird eine weitere Halbreaktion ablaufen [27]. Die chemische Reaktion des neu hergestellten Atomfilms wird direkt von der vorherigen Schicht bestimmt, sodass pro ALD-Zyklus nur eine Atomschicht abgeschieden werden kann [28]. Während des ALD-Prozesses kann nicht nur die Dicke des Films genau gesteuert werden, sondern auch die Gleichmäßigkeit des Films auf dem Substrat mit komplexer Morphologie kann gut aufrechterhalten werden [29]. Da der Herstellungsprozess nicht empfindlich auf die Menge des Vorläufers reagiert, weist ALD außerdem eine hohe Wiederholbarkeit auf. Daher eignet sich ALD für die kontrollierte Herstellung 2-D MoS₂ Filme [30].

In dieser Arbeit wird MoS₂ mit unterschiedlichen Dicken wurden durch ALD-Technologie kontrolliert auf Glaskohlenstoff (GC)-Substraten gezüchtet und ohne Bindemittel direkt als Katalysator für HER verwendet. Die Wasserstoffentwicklungsleistung von MoS₂ /GC in saurer Lösung wurde untersucht und der zugehörige Mechanismus wurde ebenfalls analysiert.

Methoden

Die aktuelle Studie zielte darauf ab, die HER-Leistung von MoS₂ . zu verbessern durch Anpassen der Dicke.

Materialien

Glaskohlenstoff (GC, 15 mm × 10 mm × 1 mm) wurde von Beijing Anatech Co., Ltd. bezogen. Molybdänpentachlorid (MoCl₅ , 99,6%) wurde von Shanghai Aladdin Bio-Chem Technology Co., Ltd. bezogen. Schwefelwasserstoff (H₂ S, 99,6 %) und Stickstoff (N₂ .) , 99,999%) wurden von Nanjing Special Gas Factory Co., Ltd. erhalten.

Vorbereitung von MoS₂ auf GC

Als Substrat für die Herstellung der wenigen Schichten MoS₂ . wurde GC mit hervorragender Leitfähigkeit verwendet Film. Der GC wurde 5 Minuten lang mit Aceton, Ethanol und entionisiertem Wasser ultraschallgereinigt und dann 5 Minuten lang mit Plasma behandelt. Das MoS₂ Film wurde auf GC unter Verwendung einer kommerziellen ALD-Ausrüstung (Sunaletmr-100, Picosun) abgeschieden. Vor dem Abscheidungsprozess wurden die Reaktionskammer und die Mo-Quelle auf 460 °C bzw. 210 °C erhitzt und eine Stunde lang stabilisiert. Dann MoCl₅ und H₂ S wurden abwechselnd in die Reaktionskammer injiziert. Als Trägergas wurde N₂ . verwendet und die Fließgeschwindigkeit betrug 50 sccm. Die Impulszeit für Quelle und Reinigung betrug jeweils 0,5 s, 30 s, 0,5 s und 30 s. Durch Steuerung der Anzahl der ALD-Zyklen auf 50, 100, 150, 200 und 250 wird die Herstellung von MoS₂ Folien mit unterschiedlichen Dicken wurden erreicht.

Charakterisierung

Ein Rasterelektronenmikroskop (REM) wurde verwendet, um die Morphologie des Katalysators mit dem Inspect-F50 (FEI)-Instrument zu beobachten, und die Beschleunigungsspannung betrug 20 kV. Bilder mit einem hochauflösenden Transmissionselektronenmikroskop (HR-TEM) wurden mit dem Instrument JEM-2100 (Olympus) aufgenommen, und die Beschleunigungsspannung betrug 200 kV. Röntgenbeugung (XRD) wurde verwendet, um die Kristallphasenstruktur von Smartlab-3 (Rigaku) ​​zu untersuchen. Das Raman-Spektrometer (Raman) wurde zur Analyse der Festkörperoberflächenzusammensetzung mit dem XperRam C (Nanobase)-Instrument verwendet, und die Anregungswellenlänge beträgt 532 nm. Rasterkraftmikroskopie (AFM, D-5A, Micronano) wurde verwendet, um die Morphologie und Dicke des MoS₂ . zu testen filmen.

Elektrochemische Tests

Alle elektrochemischen Messungen wurden auf einer elektrochemischen Workstation CHI660E (CH Instruments) getestet. Elektrochemische Messungen wurden in einem Drei-Elektroden-System durchgeführt. Gegenelektrode, Referenzelektrode und Arbeitselektrode sind Kohlenstoffstab, Ag/AgCl und MoS₂ /GC bzw. Die Polarisationskurve der Wasserstoffproduktion verwendet eine lineare Sweep-Voltammetrie (LSV), die Sweep-Rate beträgt 5 mV/s, der Sweep-Bereich beträgt -0,5 bis 0 V und der Elektrolyt beträgt 0,5 M H₂ SO₄ . Keine der LSV-Kurven war iR-korrigiert. Durch die Nernst-Gleichung wurden alle elektrochemischen Potentiale in reversible Wasserstoffelektrodenspannungen (RHE) umgewandelt:E (RHE) = E (Ag/AgCl) + 0,159 V. Der Frequenzbereich der elektrochemischen Impedanzspektroskopie (EIS) beträgt 1 Hz bis 100 kHz und die Überspannung beträgt 200 mV. Zur Abschätzung der Stabilität wurden Cyclovoltammetrie (CV) und Chronoamperometrie (i-t) verwendet. Die elektrochemische Doppelschichtkapazität (C _dl )-Test nahm die CV-Kurve unter verschiedenen Abtastraten an. Der CV-Testspannungsbereich betrug 0,1–0,2 V (gegen RHE), die Abtastrate betrug 20–140 mV/s. Die elektrochemisch aktive Oberfläche (ECSA) wurde aus der spezifischen Stromdichte durch die folgende Beziehung berechnet:

Ergebnisse und Diskussion

Wie in Abb. 1 gezeigt, MoS₂ Filme mit unterschiedlichen Dicken wurden auf dem GC-Substrat durch die ALD mit MoCl₅ . hergestellt und H₂ S als Vorläufer unter 460 °C. Das MoS₂ Filme, die nach 50, 100, 150, 200 und 250 ALD-Zyklen hergestellt wurden, wurden 50ALD-MoS₂ . genannt /GC, 100ALD-MoS₂ /GC, 150ALD-MoS₂ /GC, 200ALD-MoS₂ /GC und 250ALD-MoS₂ / GC bzw. MoS₂ /GC kann direkt als katalytische Elektrode verwendet werden, ohne dass der Katalysator über ein Bindemittel (Nafion) auf andere Elektroden geladen werden muss, was einer großtechnischen Herstellung und praktischen Anwendung zuträglicher ist.

Schematische Darstellung der kontrollierten Synthese von MoS₂ von ALD

Aus den REM-Bildern (Abb. 2) ist ersichtlich, dass das MoS₂ Filme, die durch ALD auf dem GC-Substrat hergestellt wurden, weisen eine gute Abdeckung und Konsistenz auf. Mit zunehmender Zyklenzahl wird der MoS₂ Filme werden allmählich dicker, und die Aggregatzustände ändern sich von Nanopartikeln zu größeren Nanoblättern. Wenn der ALD-Zyklus niedrig ist, wird MoS₂ wächst in einer Richtung parallel zum Substrat, und wenn die Anzahl der Zyklen zunimmt, wird MoS₂ wächst vertikal, um Nanoblätter zu bilden.

REM-Bilder von a GC, b 50ALD-MoS₂ /GC, c 100ALD-MoS₂ /GC, d 150ALD-MoS₂ /GC, e 200ALD-MoS₂ /GC und f 250ALD-MoS₂ /GC

Die Dicke des MoS₂ on GC wird durch Messung des Höhenprofils zwischen Film und Substrat mit einem Rasterkraftmikroskop (AFM) bestimmt. In den Abb. 3a–e wird die Dicke des MoS₂ . mit zunehmender Anzahl von ALD-Zyklen (von 50 auf 250) Film nimmt allmählich zu (1,3, 5,7, 10,8, 14,9 bzw. 17,2 nm). Wenn die Anzahl der ALD-Zyklen 50 beträgt, ist die Dicke von MoS₂ ist ungefähr zwei Schichten, und das MoS₂ Film ist nicht vollständig kontinuierlich. Wenn die ALD-Zykluszahl 250 erreicht, wird MoS₂ bildet dichte Partikel, wodurch ein Teil der katalytisch aktiven Zentren bedeckt wird. Wie in Abb. 3f gezeigt, nimmt die Dicke von MoS₂ . zu, wenn die Anzahl der Zyklen zunimmt nimmt annähernd linear zu, sodass die Dicke von MoS₂ lässt sich genau steuern. Die durchschnittliche Fertigungsrate pro ALD-Zyklus beträgt ungefähr 0,69 Å.

AFM-Bilder von a 50ALD-MoS₂ /GC, b 100ALD-MoS₂ /GC, c 150ALD-MoS₂ /GC, d 200ALD-MoS₂ /GC und e 250ALD-MoS₂ /GC. Die eingefügten Zahlen entsprechen dem Höhenprofil von AFM-Bildern in der Position der blauen Pfeile. f Die Beziehung zwischen der Anzahl der ALD-Zyklen und der Dicke von MoS₂

Abbildung 4a ist das HR-TEM-Bild von 200ALD-MoS₂ , und der Gitterabstand von 0,64 nm entspricht dem (002)-Kristallebenenabstand von MoS₂ [31]. Außerdem gibt es einige Mängel am MoS₂ Nanoblätter, die für HER förderlich ist. Bei der Elektronenbeugung im ausgewählten Bereich (SAED) gehört die innere Schicht zur (100)-Kristallebene mit einem Abstand von 0,26 nm und die äußere Schicht ist die Kristallebene mit einem Abstand von 0,16 nm (110) (Abb. 4b). Es kann bestätigt werden, dass die Richtung der Kristallachse die (001)-Richtung ist, was anzeigt, dass die Probe aus mehreren Schichten von 2-D-MoS₂ . besteht Nanoflocken [32].

a HR-TEM-Bild und b Elektronenbeugung im ausgewählten Bereich (SAED) von 200ALD-MoS₂ Film vom GC-Substrat abgeblättert

Auf dem MoS₂ . wurde eine XRD-Analyse durchgeführt Nanoblätter, und die Ergebnisse sind in Abb. 5a gezeigt. Im Vergleich zur Standardkarte (JCPDScard No. 37-1492) ist ersichtlich, dass die MoS₂ Filme haben eine hexagonale 2H-Phasen-Kristallstruktur. Der Beugungspeak bei 2θ = 14,4° ist scharf und stark, was der (002)-Gitterebene entspricht, was darauf hinweist, dass das MoS₂ hat einen mehrschichtigen Stapel [33]. Der Beugungspeak bei 32,87 ° entsprechend der (100)-Ebene erscheint nur, wenn die Anzahl der Zyklen größer als 200 Zyklen ist, was darauf hinweist, dass MoS₂ Nanoblätter haben eine Out-of-plane-Struktur [34]. Mit Ausnahme des Kohlenstoffpeaks der Basis-GC bei 16° und 43,7°, der den (002)- und (100)-Ebenen entspricht, traten keine anderen Verunreinigungspeaks auf, was darauf hindeutet, dass das Produkt weniger Verunreinigungen enthält und die Reaktion relativ vollständig ist [35] .

a XRD und b Raman-Muster von GC und verschiedenen ALD-Zyklen MoS₂ auf GC

Im Raman-Spektrum (Abb. 5b) die Schwingungspeaks von 382 cm ⁻¹ und 404 cm ⁻¹ werden durch das E verursacht _2g ¹ und A _1g Schwingungsmoden von MoS₂ , bzw. Das E _2g ¹ entspricht der intramolekularen Schwingung von S-Atomen relativ zu Mo-Atomen. Die A _1g entspricht nur S-Atomen, die außerhalb der Ebene in entgegengesetzter Richtung schwingen [34]. Der Unterschied im Peakpositionsabstand zwischen den beiden Peaks von MoS₂ reagiert empfindlich auf die Dicke des MoS₂ Film [36]. Die Positionsdifferenz zwischen den beiden Peaks von 50ALD-MoS₂ /GC und 100ALD-MoS₂ /GC beträgt 22,3 und 24,1 cm ⁻¹ , bzw. Es zeigt, dass MoS₂ Beim ALD-Prozess sammeln sich Filme an und verdicken sich, was auch beweist, dass die ALD eine präzise und kontrollierbare Herstellungsmethode ist.

Ein Standard-Drei-Elektroden-System wurde verwendet, um die HER-Aktivität von MoS₂ . zu bewerten Folien mit unterschiedlichen Dicken in einem 0,5 M H₂ SO₄ Lösung. Vor dem Wasserstoffentwicklungstest wurde der CV-Test verwendet, um die Elektrode vorzubehandeln, um einige Schadstoffe auf der Katalysatoroberfläche zu entfernen. Aus der Polarisationskurve (Abb. 6a) ist ersichtlich, dass die unbedeutende Stromdichte in der Kurve bestätigt, dass GC fast keine katalytische Aktivität besitzt. MoS₂ mit unterschiedlichen ALD-Zyklen hat eine signifikant unterschiedliche katalytische Aktivität, was auf die Wirkung von MoS₂ . hinweist mit unterschiedlichen Dicken. Abbildung 6b zeigt den Kreuzungspunkt bei einer Stromdichte von −10 mA/cm ² . Da die Anzahl der ALD-Zyklen von 50 auf 200 erhöht wird, wird die HER-Leistung des MoS₂ /GC verbessert sich allmählich, da die Menge an katalytisch aktivem MoS₂ auf dem GC nimmt zu. Als die Zahl der ALD-Zyklen weiter auf 250 anstieg, nahm die katalytische Leistung ab, was auf die schlechte Leitfähigkeit von MoS₂ . zurückzuführen war und starke Aggregation, die zu einer geringeren Anzahl von exponierten aktiven Zentren führt. Im Allgemeinen nehmen die katalytisch aktiven Zentren auf der Oberfläche des Katalysators mit zunehmenden Zyklen zu und neigen dazu, stabil zu sein. Allerdings ist ein zu dickes MoS₂ Filme können dazu führen, dass sich die Leitfähigkeit des Katalysators verschlechtert und dann das Überpotential erhöht. Daher unter allen Katalysatoren 200ALD-MoS₂ /GC zeigt die beste HER-Aktivität mit einem Überpotential von 266 mV bei einer Stromdichte von -10 mA/cm ² .

a Polarisationskurven der verschiedenen Proben. b Potenzialhistogramm bei einer Stromdichte von 10 mA/cm ²

Abbildung 7a, b zeigt die Tafel-Kurven und Tafel-Steigungen von MoS₂ mit verschiedenen ALD-Zyklen auf GC. Die Tafel-Steigung des Katalysators korreliert negativ mit seiner elektrochemischen Leistung. Die Ordnung der Tafel-Steigung von MoS₂ Katalysatoren, die mit verschiedenen ALD-Zyklen hergestellt wurden:209 mV/dec (50ALD-MoS₂ /GC) > 184 mV/dez (100ALD-MoS₂ /GC) > 110 mV/dez (150ALD-MoS₂ .) /GC) > 103 mV/dez (250ALD-MoS₂ .) ) > 96 mV/dez (200ALD-MoS2). Der 200ALD-MoS₂ /GC-Katalysator hat die höchste Leistung bei der Wasserstoffentwicklung und seine Elektronentransferrate ist auch die schnellste. Die Ergebnisse bestätigten auch, dass das MoS₂ /GC HER-Ratensteuerungsschritt ist die Volmer-Reaktion, d. h. der Erzeugungsprozess von adsorbierten Wasserstoffatomen [37]. Wenn die Anzahl der ALD-Zyklen 200 beträgt, wird die an der Katalysatoroberfläche adsorbierte Wasserstoffmenge offensichtlich erhöht, was für die HER von Vorteil ist.

a Tafel-Plots und b Tafel-Steigungen von MoS₂ mit verschiedenen ALD-Zyklen auf GC

Die effektive elektrochemische aktive Fläche ist für die HER-Leistung des Katalysators sehr wichtig und proportional zur elektrochemischen Doppelkapazität (C _dl ). Die elektrochemische aktive Fläche der Katalysatoren wurde durch Messung des C . verglichen _dl von CV, die eine wissenschaftliche Grundlage für den Leistungsvergleich der Katalysatoren lieferte [38]. Abbildung 8a–e zeigt die CV-Kurven von MoS₂ /GC mit unterschiedlichen Dicken bei unterschiedlichen Scanraten (20–140 mV/s). Der Prüfspannungsbereich von CV beträgt 0,1–0,2 V (dieser Spannungsbereich erzeugt keinen Faraday-induzierten Strom). Anschließend werden der 1/2-Wert der Stromdichtedifferenz beim Zwischenpotential und die Abtastrate verwendet, um ein lineares Anpassungskurvendiagramm zu erstellen, und der elektrochemische Doppelschichtkapazitätswert des Materials kann aus der Steigung der Kurve abgeschätzt werden . Abbildung 8f zeigt die lineare Beziehung zwischen Stromdichte und Abtastrate von MoS₂ /GC. Das C _dl von 50ALD-MoS₂ /GC, 100ALD-MoS₂ /GC, 150ALD-MoS₂ /GC, 200ALD-MoS₂ /GC und 250ALD-MoS₂ /GC sind 1,13, 1,32, 1,75, 3,11 und 2,65 mF/cm ² , bzw. Im Allgemeinen ist der aktive Bereich von MoS₂ nimmt mit zunehmender Dicke von MoS₂ . zu , aber die ECSA von 250ALD-MoS₂ /GC ist niedriger als der von 200ALD-MoS₂ /GC, was darauf hindeutet, dass übermäßiges MoS₂ Nanoblätter würden miteinander aggregieren, um Blöcke zu bilden und aktive Zentren zu reduzieren.

CV-Kurven von a 50ALD-MoS₂ /GC, b 100ALD-MoS₂ /GC, c 150ALD-MoS₂ /GC, d 200ALD-MoS₂ /GC und e 250ALD-MoS₂ /GC gemessen in 0,5 M H₂ SO₄ in der nicht-faradayschen Region mit unterschiedlichen Abtastraten von 20 bis 140 mV s ⁻¹ . f Unterschiede der anodischen und kathodischen Stromdichten bei 0,15 V gegenüber RHE als Funktion der Abtastrate

Um den Einfluss der Anzahl der ALD-Zyklen auf die HER-Aktivität eingehend zu untersuchen, wurde die elektrochemische AC-Impedanzmethode verwendet, um kinetische Elektrodentests an verschiedenen Proben durchzuführen, wie in Abb. 9a gezeigt. Der Ladungsübergangswiderstand korreliert positiv mit der Dicke von MoS₂ , weil MoS₂ hat eine schlechte Leitfähigkeit. Der Einfluss von MoS₂ Die Dicke der HER-Leistung wurde anhand des ALD-Wachstumsprozesses weiter analysiert (Abb. 9b). Wenn die Dicke von MoS₂ weniger als 3 Schichten beträgt, MoS₂ wächst in vertikaler Richtung und die dreieckige Kante von MoS₂ ist das wichtigste katalytische Zentrum. Wenn die Dicke von MoS₂ ist größer als 3 Schichten, MoS₂ das Wachstum wird sich von in-plane zu out-of-plane ändern und nanoblattartiges MoS₂ . bilden . Aufgrund der großen spezifischen Oberfläche und der vielen aktiven Zentren der Nanoblätter ist es von Vorteil, die katalytische Leistung zu verbessern. Aber wenn die Dicke von MoS₂ 15 nm überschreitet, verringert der übermäßige Widerstand die Elektronenübertragungsrate, was die elektrochemische Leistung des Katalysators verschlechtert.

a Nyquist-Diagramm von MoS₂ mit unterschiedlichen ALD-Zyklen. b Schema des MoS₂ Wachstums- und Elektronentransportweg für HER

Haltbarkeit und Stabilität sind auch wichtige Indikatoren zur Untersuchung der Leistungsfähigkeit von Elektrokatalysatoren [39]. In 0,5 M H₂ SO₄ Elektrolyt, 200ALD-MoS₂ /GC wurde kontinuierlich mit CV gescannt und LSV wurde nach 1000 Zyklen durchgeführt. Aus Abb. 10a ist ersichtlich, dass bei einer Stromdichte von -10 mA/cm ² , beträgt die erforderliche Überspannung vor 1000 Zyklen des Katalysators ungefähr 0,26 V und beträgt die Überspannung nach 1000 Umdrehungen ungefähr 0,28. Darüber hinaus ist die Aktivität von HER leicht abgeschwächt, was durch eine geringe Katalysatormenge verursacht werden kann, die von der Oberfläche der Elektrode abfällt. Um die Haltbarkeit des MoS₂ . weiter zu untersuchen, /GC-Katalysator, die i-t-Kurve des Katalysators bei einer Stromdichte von −10 mA/cm ² für 32 h wurde untersucht. Wie aus Abb. 10b ersichtlich, ist das Potenzial von 200ALD-MoS₂ /GC nahm im frühen Stadium der Reaktion schnell ab, was hauptsächlich daran lag, dass die Blasen durch die Adsorption von H ⁺ . gebildet wurden im Elektrolyten auf der Elektrodenoberfläche wurden im frühen Reaktionsstadium nicht rechtzeitig desorbiert, sodass eine größere Überspannung erforderlich war, um eine feste Stromdichte aufrechtzuerhalten. Mit der Verlängerung der Reaktionszeit wird die Abschwächung der Kurve allmählich flacher, was hauptsächlich durch die enge Übereinstimmung zwischen der Bildungsrate von H₂ Bläschen auf der Elektrodenoberfläche und die Desorptionsrate [40]. Geringe Schwankungen im i −t Die Kurve kann auf die Erzeugung, Anreicherung und Freisetzung von Wasserstoff an der Elektrodenoberfläche während der Reaktion zurückgeführt werden [41]. Die Ergebnisse zeigen, dass das MoS₂ Die nach dem ALD-Verfahren hergestellte Folie ist fest mit dem Substrat verbunden und weist eine gute Stabilität während der HER auf. Zum Vergleich:andere Studien zur elektrochemischen Wasserstoffentwicklung von MoS₂ -basierte Nanomaterialien sind in Tabelle 1 zusammengefasst. Es ist ersichtlich, dass die MoS₂ von ALD in dieser Arbeit hergestellt hat eine bessere HER-Leistung als viele MoS₂ -basierte Verbundmaterialien, was darauf hindeutet, dass MoS₂ mit einer geeigneten Dicke kann als effektiver HER-Katalysator verwendet werden.

a Polarisationskurve der Elektrode gemessen vor und nach 1000 CV-Zyklen. b 32 h Stabilitätstest bei einer Stromdichte von 10 mA/cm ²

Schlussfolgerungen

Zusammenfassend lässt sich sagen, dass MoS₂ Filme mit unterschiedlichen Dicken wurden direkt und genau auf dem GC-Substrat abgeschieden, indem die Anzahl der Zyklen im ALD-Prozess gesteuert wurde. 200ALD-MoS₂ /GC mit 14,9 nm Dicke zeigt die beste HER-Leistung, und sein Überpotential und seine Tafel-Steigung betragen −266 mV und 96 mV/dec ⁻¹ , bzw. Die katalytische Aktivität von MoS₂ wird zuerst besser und verschlechtert sich dann mit zunehmender Dicke. Da das dichte MoS₂ Nanoblätter aggregieren miteinander, um die aktiven Zentren zu reduzieren und den Widerstand zu erhöhen. Darüber hinaus ist das MoS₂ Die von ALD hergestellten Folien sind fest mit dem Substrat verbunden und weisen eine ausgezeichnete Stabilität auf. Diese Arbeit zeigt, dass die geeignete Dicke von MoS₂ Filme ist für die Optimierung der elektrokatalytischen Leistung von Vorteil, was eine große Inspiration für MoS₂ . ist um Edelmetallkatalysatoren für die Wasserstoffentwicklung zu ersetzen.

Verfügbarkeit von Daten und Materialien

Alle Daten sind uneingeschränkt verfügbar.

Abkürzungen

MoS₂ :

Molybdändisulfid

IHR:

Wasserstoffentwicklungsreaktion;

GC:

Glaskohlenstoff

ALD:

Atomlagenabscheidung

2-D:

Zweidimensional

Lebenslauf:

Chemische Gasphasenabscheidung

SEM:

Rasterelektronenmikroskopie

XRD:

Röntgenbeugung

HR-TEM:

Hochauflösendes Transmissionselektronenmikroskop

SAED:

Ausgewählte Bereichselektronenbeugung

LSV:

Lineare Scanning-Voltammetrie

Lebenslauf:

Zyklische Voltammetrie

EIS:

Elektrochemische Impedanzspektroskopie

C _dl :

Die Doppelschichtkapazität

RHE:

Umkehrbare Wasserstoffelektrode