Hochleistungs-Wasserstoffentwicklungs-Katalyse durch stickstoff-dotierte poröse Kohlenstoff-Nanosheets und Mo₂C-Nanopartikel

Zusammenfassung

Die Erforschung erdreicher und edelmetallfreier Katalysatore für Wasserelektrolyse ist entscheidend für erneuerbare Wasserstoffproduktion. Hier wurde ein hochaktiver Elektrokatalysator aus stickstoff-dotierten porösen Kohlenstoff-Nanosheets, gekoppelt mit Mo₂C-Nanopartikeln (Mo₂C/NPC), durch eine neuartige Methode mit hoher BET-Oberfläche von 1380 m² g⁻¹ synthetisiert, indem KOH zur Aktivierung von Kohlenstoff-Kompositmaterialien verwendet wurde. KOH spielt eine Schlüsselrolle beim Ätzen von MoS₂ zur Herstellung von Mo-Vorläufern; gleichzeitig korrodiert es Kohlenstoff zur Bildung poröser Strukturen und erzeugt Reduktionsgase wie H₂ und CO. Der resultierende Mo₂C/NPC-Hybrid demonstrierte überlegene HER-Aktivität in saurer Lösung, mit einem Überpotenzial von 166 mV bei Stromdichte von 10 mA cm⁻², Einsetz-Überpotenzial von 93 mV, Tafel-Steigung von 68 mV dec⁻¹ und bemerkenswerter Langzeit-Zyklenstabilität. Die vorliegende Strategie kann einen vielversprechenden Weg bieten, andere Metallkarbid/Kohlenstoff-Hybride für Energieumwandlung und -speicherung herzustellen.

Einleitung

Heutzutage sind Umweltverschmutzung und Energiekrise die Schlüsselfragen für nachhaltige Entwicklung [1, 2]. Der Schlüssel zur Lösung des Problems ist die Erreichung einer sauberen und erneuerbaren Energiequelle. Wasserstoff, produziert durch katalytische Wasserspaltung, gilt als vielversprechende Alternative zu fossilen Brennstoffen [3, 4]. Platin-basierte Katalysatoren sind bis heute die effizientesten Wasserstoffentwicklungsreaktions (HER) Katalysatoren, aber ihre Knappheit und hohe Kosten limitieren großskalige Anwendungen. Daher erscheinen kostengünstige und erdreiche Übergangsmetallverbindungen wie Übergangsmetallsulfide [5], Oxide [6], Nitride [7], Phosphide [8, 9] und Karbide [10] als Substitutionen für Edelmetallkatalysatoren. Unter diesen Elektrokatalysatoren hat Mo₂C großes Interesse als effizienter HER-Elektrokatalysator geweckt, da seine d-Band-Elektronenstruktur der von Pt ähnelt [11]. Die katalytischen Eigenschaften von Molybdänkarbid beruhen hauptsächlich auf der Exposition weiterer aktiver Stellen und der Verbesserung der Leitfähigkeit der Katalysatoren. Forscher tendieren zur Verbesserung der Zusammensetzung und Struktur von Mo₂C-Hybriden; jedoch erfordert die aktuelle Synthese von Mo₂C-Hybriden hauptsächlich hohe Temperaturen, was Partikelagglomeration verursacht, was zu einer Verringerung aktiver Oberflächen und Reduzierung der HER-Katalyseleistung führt [12]. Um die Agglomeration von Molybdänkarbid zu verringern, wird normalerweise leitfähiges Kohlenstoff-Trägermaterial angewendet, um aktive Oberflächen und Leitfähigkeit zu erhöhen. Graphit mit zweidimensionaler Struktur erwies sich als ausgezeichnetes Trägermaterial für Katalysatoren [13]. Andernfalls würde eine hohe spezifische Oberfläche der Katalysatoren mehr aktive Stellen exponieren, was die HER-Leistung verbessert. Leider ist die jüngste Methode zur Verbesserung der spezifischen Oberfläche des Katalysators noch begrenzt, und Forscher bemühen sich, die Katalysatorgröße zu reduzieren, konzentrieren sich selten auf die Erhöhung der Porosität des Materials [14, 15]. Daher ist die Erhöhung der spezifischen Oberfläche von Mo₂C/C-Kompositen begrenzt. Die Herstellung von porösem Kohlenstoff mit hoher spezifischer Oberfläche (4196 m² g⁻¹) aus kaliumhydroxid-aktiviertem Polymerhydrogel [16] liefert eine neue Idee zur Synthese des leitfähigen Graphit-Substrats mit poröser Struktur, das offenen Raum und kurze Diffusionskanäle für Reaktanten während HER bereitstellen würde [17]. Frühere Berichte haben gezeigt, dass synergistische Effekte zwischen Mo₂C und N-Dotierstoffen in Kohlenstoffmaterialien zu hoher HER-elektrokatalytischer Leistung führen würden [18]. Die kontrollierte Synthese von stickstoff-dotierten porösen Kohlenstoff-Nanosheets als Trägersubstrat würde hohe Oberfläche, exzellente Leitfähigkeit, hohe Haltbarkeit, N-Dotierstoffe zur Verbesserung des Elektronentransfers und poröse Struktur zur Förderung von Massen-/Ladungstransport besitzen. Zudem haben Berichte bewiesen, dass β-Mo₂C mit hexagonaler Struktur die aktivste Phase der vier Phasen von Molybdänkarbid ist, da es eine Valenzbandform ähnlich wie Pt hat [19]. Daher ist es eine Herausforderung, stickstoff-dotierte poröse Kohlenstoff-Nanosheets, gekoppelt mit β-Mo₂C-Nanopartikeln, für hocheffiziente katalytische Wasserstoffproduktion zu synthetisieren.

Hierin berichten wir über eine neuartige Selbsttemplate-Methode, um einen hochaktiven und stabilen edelmetallfreien Elektrokatalysator mit großer Porosität zu erreichen. Kommerzielles MoS₂ wurde als Mo-Quelle und Selbsttemplate verwendet und Dopamin als C- und N-Quelle. Da Dopamin leicht auf der Oberfläche der Mo-Quelle selbstpolymerisiert, um Poly-Dopamin (PDA) Mikrosphären zu bilden, ist es essentiell, Katalysatoren mit mehr aktiver, der Luft ausgesetzter Oberfläche zu synthetisieren [20]. Forscher tendieren dazu, Templates wie SiO₂ [21] und NaCl [22] zu verwenden, um Aggregation zu vermeiden und Strukturen mit hoher spezifischer Oberfläche zu bilden. Allerdings erfordert das Auflösen von Silica Fluorwasserstoffsäure, ein hochriskantes Chemikalie, und das Entfernen des Salztemplates involviert mehr Schritte. Wir wählten kommerzielles MoS₂ als Mo-Quelle und Selbsttemplate, da MoS₂ bei hoher Temperatur mit KOH reagieren kann. Die Entfernung des Templates und die Aktivierung von KOH, die zu porösem Kohlenstoff und Reduktionsgas führen, synthetisierten den finalen Mo₂C/NPC-Hybrid mit hoher katalytischer Aktivität. Unsere Synthesemethode suggeriert eine vielversprechende Strategie zur Herstellung edelmetallfreier Hochleistungs-HER-Katalysatoren.

Methoden

Herstellung von Mo₂C/NPC-Hybrid und Referenz-NPC

In einer typischen Synthese wurden 500 mg kommerzielles MoS₂ zuerst in 100 ml deionisiertem Wasser via Sonikation dispergiert. Dann wurden 120 mg Trizma®-Base und 200 mg Dopaminhydrochlorid zur Suspension hinzugefügt. Die Mischung wurde 24 h bei Raumtemperatur gerührt, und das Produkt wurde nach Waschen mit deionisiertem Wasser durch Filtration gesammelt. Nach Übernacht-Trocknung im Ofen wurde das resultierende MoS₂@PDA in einem Röhrenofen bei 600 °C für 2 h karbonisiert, um MoS₂@NC zu bilden. Das karbonisierte MoS₂@NC wurde in 4 ml 7 M KOH eingeweicht, mit einem KOH-zu-MoS₂@NC Massenverhältnis von 3:1. Das getrocknete KOH/MoS₂@NC-Gemisch wurde unter N₂ bei 800 °C für 1 h erhitzt. Nach Abkühlung wurde das Probe gefiltert und mit verdünnter Salzsäurelösung und deionisiertem Wasser gewaschen. Es wurde dann über Nacht bei 60 °C getrocknet. Das finale Produkt war Mo₂C/NPC, und N-dotierter poröser Kohlenstoff (NPC) wurde durch ein ähnliches Verfahren erhalten, außer dass kein kommerzielles MoS₂ hinzugefügt wurde.

Charakterisierung

Röntgenbeugung (XRD) wurde an einem PANalytical X'Pert3 Powder mit Cu Kα-Strahlung (λ = 1,54056 Å) durchgeführt. Morphologie wurde mit Feldemissions-Rasterelektronenmikroskopie (SEM, Hitachi SU8020) charakterisiert. Transmissions-Elektronenmikroskopie (TEM) Bilder und entsprechende energiedispersive Röntgen (EDX) Elementmapping-Bilder wurden mit einem FEI Tecnai G2 F20 S-TWIN TMP durchgeführt. Raman-Spektrum wurde mit einem konfokalen Raman-Spektrometer (HORIBA LabRAM HR Evolution) aufgezeichnet. Röntgenphotoelektronenspektroskopie (XPS) wurde an einem PHI Quantera-II Raster-Röntgenmikrosonden-Spektrometer mit Al Kα-Strahlung (1486,6 eV) als Anregungsquelle durchgeführt. TGA/DSC-Kurve wurde mit einem TGA/DSC1 Mettler-Toledo Thermalanalysator gemessen. Spezifische Oberfläche der Probe wurde mit einem Micromeritics ASAP 2020 HD88 gemessen.

Elektrochemische Messungen

Alle elektrochemischen Tests werden mit einem Standard-Dreielektrodensystem an einem CHI660E Potentiostaten (CH Instruments, China) durchgeführt, und alle Potenziale in diesem Papier beziehen sich auf die reversible Wasserstoffelektrode (RHE) gemäß E(RHE) = E(Ag/AgCl) + 0,059 pH + 0,197 V. Graphitstab wurde als Gegenelektrode und Ag/AgCl (gesättigtes KCl-gefüllt) als Referenzelektrode verwendet. Eine Glaskohlenstoffelektrode mit 5 mm Durchmesser, bedeckt mit 15 µl Katalysator-Tinte, wurde als Arbeitselektrode verwendet. Typischerweise werden zur Herstellung einer Arbeitselektrode 4 mg Mo₂C/NPC und 20 µl Nafion-Lösung in 1 ml 3:1 v/v Wasser/Ethanol durch Ultraschall für 1 h dispergiert, um eine homogene Tinte zu bilden. Vor den elektrochemischen Tests wird die frische Arbeitselektrode 50-mal zykliert, um den Strom zu stabilisieren, und Lineare-Sweep-Voltammetrie (LSV) wird in 0,5 M H₂SO₄ bei einer Scanrate von 5 mV s⁻¹ ohne IR-Kompensation getestet. Zusätzlich werden Zyklovoltammogramme (CV) von 0 bis 0,2 V (versus RHE, in 0,5 M H₂SO₄) mit Sweep-Raten von 20, 40, 60, 80, 100, 120 und 140 mV s⁻¹ erhalten.

Ergebnisse und Diskussionen

Das synthetische Verfahren des Mo₂C/NPC-Hybrids wurde in Abb. 1 illustriert. Wir wählten Dopamin als Kohlenstoff- und Stickstoffquelle. Kommerzielles bulk MoS₂ wurde als Mo-Quelle und Selbsttemplate ausgewählt, dessen Größe ~2 µm beträgt (Zusatzdatei 1: Abbildung S1a). Zuerst selbstpolymerisierte Dopamin auf der Oberfläche von bulk MoS₂, um eine MoS₂@PDA Kern-Schale-Struktur zu bilden (Zusatzdatei 1: Abbildung S1b). Dann wurde die Kern-Schale-Struktur MoS₂@PDA karbonisiert, um einen N-dotierten Kohlenstofffilm auf der Oberfläche von MoS₂ zu bilden, der als MoS₂@NC bezeichnet wurde (Zusatzdatei 1: Abbildung S1c) [23, 24]. Schließlich wurde das Gemisch des vorbereiteten MoS₂@NC und KOH in einen Röhrenofen gegeben und reagierte, um das finale Produkt zu erhalten: stickstoff-dotierte poröse Kohlenstoff-Nanosheets, gekoppelt mit Mo₂C-Nanopartikeln (bezeichnet als Mo₂C/NPC) (Zusatzdatei 1: Abbildung S1d). Als MoS₂ als Mo-Quelle diente, bildet Dopamin einen PDA-Film auf der Oberfläche von MoS₂, MoS₂ diente als Selbsttemplate, um Dopamin davon abzuhalten, Mikrosphären zu bilden, und ein PDA-Film wurde erzeugt. Dies liegt daran, dass die Umwandlung von PDA zu N-dotiertem C ihre Morphologie beibehält [15]; wenn MoS₂ mit KOH reagiert, erhalten wir Kohlenstoff-Nanosheets von ~2 µm Länge. Der Kohlenstoff in MoS₂@NC kann auch durch KOH aktiviert werden, um poröse C-Nanosheets zu erhalten. Die Bildung von Mo₂C/NPC kann basierend auf einer Reihe von Reaktionen vorgeschlagen werden. Der Prozess der KOH-Einlagerung und Reaktion mit Kohlenstoff kann als KOH-Aktivierungsreaktion zusammengefasst werden, die chemische Reaktionsgleichung lautet: 6KOH + 2C ↔ 2K + 3H₂ + 2 K₂CO₃, und K₂CO₃ kann weiter in K₂O, CO₂ und CO zerfallen [25]. Der Prozess der KOH-Aktivierungsreaktion kann nicht nur Kohlenstoffeinheiten korrodieren, um poröse Struktur des Kohlenstoffs zu produzieren, sondern auch die Bildung von graphitischem Kohlenstoff fördern. Gleichzeitig könnte KOH das MoS₂-Template ätzen, um Mo₂C-Nanopartikel mit der Diffusion von Schwefeldampf und der Bildung von K₂S zu produzieren. Somit führen die Reaktionen zur Bildung des Mo₂C/NPC-Hybrids.

Die kristalline Phasenzusammensetzung des Produkts wurde durch Röntgenbeugung untersucht (Abb. 2a). Ein breiter Peak nahe 26° und der Peak bei 46,3° können den (003) und (012) Ebenen von graphitischem Kohlenstoff zugeschrieben werden. Die anderen Röntgenbeugungspeaks bei 34,3, 37,9, 39,39, 52,1, 61,5, 69,5, 74,6 und 75,5° werden den Beugungen der (100), (002), (101), (102), (110), (103), (112) und (201) Flächen von hexagonalem β-Mo₂C (JCPDS 35-0708) zugeschrieben. Zusätzlich sind keine erkennbaren Verunreinigungen wie Molybdänmetall, Oxide, Sulfide oder andere Karbide vorhanden, was die vollständige Umwandlung von kommerziellem MoS₂ zu Mo₂C anzeigt. Die Ergebnisse der Raman-Spektroskopie in Abb. 2b bestätigten weiter, dass der hergestellte Katalysator eine Mischung aus Molybdänkarbid und Graphit ist. Das Intensitätsverhältnis von G-Band zu D-Band, I_G/I_D > 1, deutet darauf hin, dass der Kohlenstoff im Wesentlichen graphitisch ist [26]. Die Menge an Mo₂C im finalen Produkt beträgt ~44 Gew.-% basierend auf Thermogravimetrischer Analyse (TGA) in Luft (Zusatzdatei 1: Abbildung S2). Stickstoff-Adsorptions-Desorptions-Isothermen wurden bei 77 K gemessen, um die BET-spezifische Oberfläche zu bewerten. Wie in Abb. 2c gezeigt, zeigten die Stickstoff-Adsorptions-Desorptions-Isothermen von Mo₂C/NPC eine H4-Typ-Hysterese-Schleife, die für Materialien mit Mikro-Meso-Poren geeignet ist. Zudem beträgt die BJH-Desorptionsdurchschnittsporengröße 3,23 nm und die spezifische BET-Oberfläche 1380 m² g⁻¹, was die erfolgreiche Synthese der porösen Struktur enthüllt. Eine solche Mikro-Meso-poröse Struktur der Kohlenstoffmatrix mit ultrahoher Oberfläche soll ein ideales Elektrodenmaterial sein, das nicht nur offenen Raum und kurze Diffusionskanäle für Reaktanten bereitstellen, sondern auch die Absorption von H⁺ und Desorption von H₂ erleichtern kann, was zu guter Massen-/Ladungstransferfähigkeit führt.

Dann wurde die Morphologie und Struktur des hierarchischen Mo₂C/NPC-Hybrids durch SEM und TEM untersucht. Wie in Abb. 2d gezeigt, präsentiert das Niedrigvergrößerungs-SEM-Bild zahlreiche gut dispersierte Nanosheet-ähnliche Strukturen mit durchschnittlicher Größe von 2 µm, konsistent mit der Template-Größe von MoS₂. Die TEM-Bilder in Abb. 3a und c zeigten, dass β-Mo₂C-Nanopartikel mit Größen von wenigen Nanometern bis 50 nm auf stickstoff-dotierten Kohlenstoff-Nanosheets verankert waren. Die poröse Natur der Kohlenstoff-Nanosheets ist in Abb. 3b TEM-Bildern zu sehen [27]. Zusätzlich zeigte das hochauflösende TEM-Bild in Abb. 3d Gitterstreifen mit d-Abständen von 0,23 nm und 0,24 nm, die den (101) und (002) Ebenen von β-Mo₂C entsprechen. Die poröse Struktur des Trägers Kohlenstoff und die Kopplung von Mo₂C-Nanopartikeln mit N-dotierten porösen C-Nanosheets würden den Elektronentransfer von Molybdänkarbid zu Kohlenstoff erleichtern, wodurch die Katalysatoreffizienz erhöht wird. Wie in Abb. 3e beispielhaft gezeigt, demonstrierte die energiedispersive Spektroskopie (EDS) Analyse, dass die Nanosheets aus Mo, C und N Elementen bestanden, was die erfolgreiche Synthese des Mo₂C/NPC-Hybrids bestätigte.

Die Oberflächenzusammensetzung des synthetisierten Mo₂C/NPC-Nanosheets wurde weiter durch XPS aufgeklärt. Aus dem Survey-Spektrum in Abb. 4a können Elemente Mo, C, N und O klar identifiziert werden. Der C 1s XPS-Peak kann in drei Peaks zentriert bei 284,6, 285,6 und 288,8 eV (Abb. 4b) gefittet werden, die auf C-C/C=C, C-N und C=O Spezies zurückgeführt werden können [28, 29]. Der Mo 3d XPS-Peak kann in zwei Dubletts dekonvolviert werden (Abb. 4c). Eines ist bei Bindungsenergie 228,6/231,6 eV zentriert und das andere bei 232,9/235,9 eV, was auf Mo₂C und oberflächenoxidiertes MoO₃ zurückgeführt werden kann [14, 26, 29]. Die unvermeidbare Fülle einer signifikanten Menge Molybdänoxid kommt von der langsamen Oxidation an der Oberfläche von Molybdänkarbid bei Luftexposition [30]. Zudem wurde berichtet, dass das auf der Karbidoberfläche gebildete Oxid die Aktivität des Karbids beibehalten kann. Der N 1s Peak (Abb. 4d) bei Bindungsenergie 398,4, 400,2 und 401,4 eV kann auf Pyridin-, Pyrrol- und quartäre N-Atome zurückgeführt werden [24, 29]. Frühere Berichte haben bewiesen, dass N-Dotierstoffe in Kohlenstoff den Elektronentransferprozess (Mo₂C→C→N) induzieren könnten, was zu einer Verstärkung der Synergie zwischen Mo₂C und N-Dotierstoffen in Kohlenstoff führt [18].

Die elektrokatalytische HER-Aktivität des Mo₂C/NPC wurde zuerst in 0,5 M H₂SO₄ evaluiert. Zum Vergleich wurden das originale kommerzielle MoS₂ (c-MoS₂), N-dotierter poröser C (NPC) und 20 Gew.-% Pt/C mit der gleichen Beladungsmenge getestet. Abbildung 5a vergleicht die entsprechenden Polarisationskurven. Wie erwartet, zeigten sowohl NPC als auch kommerzielles MoS₂ sehr begrenzte HER-Aktivität, mit Einsetz-Überpotenzialen von 354 mV und 289 mV, jeweils, während Mo₂C/NPC ein Einsetz-Überpotenzial von 93 mV hatte, viel niedriger als NPC und c-MoS₂. Das Überpotenzial von Mo₂C/NPC bei einer Stromdichte von 10 mA cm⁻² beträgt 166 mV, viel niedriger als NPC und das originale c-MoS₂ und vergleichbar mit Mo₂C/C-Hybriden in anderen Arbeiten [20, 31]. Um die HER-Kinetik der Katalysatoren zu erforschen, wurden Tafel-Plots an die Tafel-Gleichung (η = a + b log(j)) angepasst, wobei b die Tafel-Steigung ist. Wie in Abb. 5b gezeigt, wurde die Tafel-Steigung von Mo₂C/NPC auf 68 mV dec⁻¹ berechnet, viel niedriger als die von c-MoS₂ (184 mV dec⁻¹) und NPC (296 mV dec⁻¹), was suggeriert, dass der Desorptions-Schritt auf den Oberflächen der Mo₂C/NPC-Katalysatoren effizient war. Die Tafel-Steigung des Mo₂C/NPC-Hybrids fällt in den Bereich von 40–120 mV dec⁻¹, was impliziert, dass die HER auf der Mo₂C/NPC-Oberfläche einem Volmer-Heyrovsky-Mechanismus folgt [32]. Basierend auf der Tafel-Analyse wurde die Austauschstromdichte (j₀) von Mo₂C/NPC auf 37,4 µA cm⁻² berechnet, was viele nicht-edle HER-Elektrokatalysatoren in der Literatur übertrifft (wie in Zusatzdatei 1: Tabelle S1 illustriert) [33,34,35]. Um die elektrochemisch aktive Oberfläche (ECSA) von Mo₂C/NPC unter Arbeitsbedingungen zu schätzen, berechneten wir die Doppelschichtkapazität (C_dl) aus Zyklovoltammetrie (CV) Kurven bei verschiedenen Scanraten in Abb. 5c. Wie im Inset von Abb. 5c gezeigt, deutete die lineare Korrelation der Stromdichte bei 0,1 V gegen die Scanrate an, dass C_dl von Mo₂C/NPC 102,4 mF cm⁻² beträgt. Wenn wir einen Standardwert von 60 µF/cm² annehmen, wird die ECSA von Mo₂C/NPC auf ∼558 m²/g geschätzt (die Berechnung ist in Zusatzdatei 1: Abbildung S3 gezeigt). Eine so hohe ECSA wird von sowohl Mo₂C als auch dem Kohlenstoffträger beigetragen. Da Kohlenstoff viel leichter ist, wird der N-dotierte poröse C für den größten Teil der ECSA verantwortlich geschätzt [26] und ist konsistent mit der spezifischen BET-Oberfläche, was unterstützt, dass der Großteil der aktiven Mo₂C-Oberfläche elektrochemisch zugänglich ist.

Neben der HER-Aktivität ist die Stabilität ein weiterer entscheidender Faktor zur Bewertung eines Katalysators. Langzeit-Zyklovoltammetrie wurde durchgeführt, um die Stabilität des Mo₂C/NPC in 0,5 M H₂SO₄ zu messen. Die HER-Polarisationskurven in Abb. 5d für Mo₂C/NPC zeigen nur 2 mV Verlust nach 3000 Zyklen, was die vernachlässigbare Stabilität des Katalysators anzeigt. Die Chronoamperometrische Antwortkurve von Mo₂C/NPC bei Überpotenzial von −0,166 V vs. RHE wurde in Zusatzdatei 1: Abbildung S4 illustriert. Basierend auf der obigen elektrochemischen Studie kann die bemerkenswerte elektrokatalytische Leistung der Mo₂C/NPC-Nanosheets den folgenden Faktoren zugeschrieben werden: (1) die hohe spezifische Oberfläche der Katalysatoren würde zu mehr aktiven Stellen für H⁺-Absorption führen, und die gute Leitfähigkeit des Trägersubstrats würde den Elektronentransport verbessern; (2) die Kopplung von β-Mo₂C-Nanopartikeln und N-dotierten porösen C-Nanosheets würde den Kontakt des Katalysators mit dem Elektrolyten vergrößern, was Ladungs- und Massentransfer erleichtert; und (3) die dotierten N-Atome können nicht nur besser mit H⁺ interagieren als C-Atome, sondern auch die elektronischen Strukturen benachbarter Mo- und C-Atome modifizieren, was Mo₂C/NPC zu einem hochwirksamen Katalysator macht.

Schlussfolgerungen

Zusammenfassend wurde eine neuartige Strategie zur Herstellung hierarchischer Mo₂C/NPC-Hybride durch eine KOH-Aktivierungsmethode entwickelt. Kommerzielles MoS₂ wurde als Mo-Quelle und Selbsttemplate verwendet, während Dopamin als C- und N-Quelle diente. MoS₂ wurde durch KOH geätzt, um Mo-Vorläufer zu produzieren, und der karbonisierte PDA wurde durch KOH korrodiert, um porösen Graphit-Substrat zu bilden. Die exzellente HER-Aktivität des Mo₂C/NPC-Hybrids mit Überpotenzial von 166 mV bei 10 mA cm⁻², Einsetz-Überpotenzial von 93 mV, Tafel-Steigung von 68 mV dec⁻¹ und herausragender Langzeit-Zyklenstabilität wird dem Stickstoffdotiergehalt, dem porösen leitfähigen Substrat, der Fülle aktiver Stellen und der starken Wechselwirkung zwischen Mo₂C und graphitischem Kohlenstoff zugeschrieben. Diese effektive Methode kann auf das Design und die Herstellung anderer Karbidverbindungen mit hoher spezifischer Oberfläche für verschiedene elektrokatalytische Anwendungen angewendet werden.

Verfügbarkeit von Daten und Materialien

Alle Daten sind uneingeschränkt vollständig verfügbar.

Abkürzungen

c-MoS₂ :

Kommerzielles MoS₂

HER:

Wasserstoffentwicklungsreaktion

HRTEM:

Hochauflösende Transmissions-Elektronenmikroskopie

Mo₂C/NPC:

Stickstoff-dotierte poröse Kohlenstoff-Nanosheets gekoppelt mit Mo₂C-Nanopartikeln

MoS₂@NC:

N-dotierter Kohlenstofffilm auf der Oberfläche von MoS₂

NPC:

Stickstoff-dotierter poröser Kohlenstoff

PDA:

Poly-Dopamin

Pt/C:

Platin/Kohlenstoff-Katalysator

RHE:

Reversible Wasserstoffelektrode

TGA:

Thermogravimetrische Analyse