【DFT+实验】武汉大学任峰AEM：离子辐照使得MoSe2纳米片实现高效析氢

近年来，探索绿色可持续能源已被认为是人类应对全球能源需求和环境恶化的当务之急。由于氢具有较高的能量密度和零排放等优势，因此被认为是有希望替代传统燃料(煤、石油和天然气)的能源之一。通过电解水(2H₂O→2H₂+O₂)生产绿色氢被认为是利用可再生能源(如风能、太阳能和地热能)实现这一目标的最具前景和最可持续的方式之一。为了最大限度地减少电力的使用，在析氢反应(HER)过程中，迫切需要一种高活性催化剂来提高产氢效率。

到目前为止，虽然已经开发出许多电催化剂来满足HER的要求，但是Pt基材料仍然是性能最优异的催化剂，但其稀缺性和高成本极大地限制了其大规模的工业应用。因此，必须开发具有低过电位和高稳定性的非贵金属HER催化剂来取代Pt基催化剂。近年来，人们研究了许多可以替代贵金属催化剂的非贵金属催化剂。在这些催化剂中，过渡金属硫族化合物(TMDs)因为具有类似于Pt的d带，并且其还具有丰富的地球储量和优异的HER活性而受到了广泛关注。

目前，MoSe₂作为一种典型的TMD，由于其较小的氢吸附能垒和优异的电化学活性而受到了广泛研究。基于此，武汉大学任峰等人采用一种新颖可控的He⁺离子辐照方法，在其惰性基面上同时引入多个空位，提升了MoSe₂纳米片阵列的催化活性。

本文在1.0 M KOH碱性介质中，利用三电极体系对MoSe₂、辐照的催化剂以及辐照和退火的催化剂进行了电化学测试，以研究这些催化剂的HER电催化活性。通过调节退火温度，He-MoSe₂的HER性能得到了优化，在250 ℃下退火的催化剂具有最佳的HER性能。

具体而言，MoSe₂的HER电催化活性最差，在电流密度为10 mA cm^-2时，其过电位为230 mV。辐照后的MoSe₂过电位低于未辐照的MoSe₂，这表明离子辐照轻度的提高了催化剂的HER性能。

通过对辐照后的MoSe₂进一步进行退火处理，进一步提高了He-MoSe₂-A的HER电催化活性。He_1e13-MoSe₂在1 × 10¹³ ions cm^-2的辐照强度下，其在10 mA cm^-2的电流密度下的过电位下降低至161 mV，HER活性有了显著的提升。

在相同电流密度下，He_1e13-MoSe₂-A的过电位为90 mV，表现出最佳的HER电催化活性。本文的研究结果明确表明，离子辐照引起的空位和后续的退火过程显著提升了He-MoSe₂-A的HER活性，这也同时证明离子束照射可以精确、可控地调整空位的浓度，这也是该技术相对于其他技术的突出优势。

之后，本文通过第一原理计算进一步研究了催化剂的催化机理。计算结果表明，MoSe₂的带隙为1.23 eV，这证明了2H相的MoSe₂具有半导体性质。具有单Se空位的MoSe₂带隙为1.02 eV，比纯MoSe₂的带隙更窄，这表明电子导电性增强。此外，根据计算结果可以明显的看出，具有单Mo空位的MoSe₂的价带在电子自旋向上的方向上高于费米能级，在电子自旋向下的方向上低于费米能级，这意味着具有单Mo空位的MoSe₂是半金属。这些研究结果也表明，MoSe₂中空位的存在本质上赋予了催化剂更好的导电性，从而促进了HER过程中的电子转移。

为了进一步了解催化剂在碱性电解质中性能提高的原因，本文尝试研究了MoSe₂以及具有单Mo空位的MoSe₂和具有单Se空位的MoSe₂的自由能。根据计算得到的MoSe₂、含单Mo空位的MoSe₂和含单Se空位的MoSe₂的水解离能可以发现，正如预期的那样，MoSe₂的水解离能垒(3.36 eV)较大，这抑制了H₂O解离为H^*和OH⁻，这导致催化剂的HER动力学变慢。相比之下，具有单Mo空位的MoSe₂和具有单Se空位的MoSe₂的ΔG(H2O)值分别下降至1.84 eV和1.82 eV，这表明Mo和Se空位的存在是促进Volmer步骤的重要因素，最终促进了整个碱性HER过程。此外，MoSe₂的ΔG(H*)值为2.08 eV，而具有单Mo空位的MoSe₂和具有单Se空位的MoSe₂的ΔG(H*)值分别为-0.03和-0.25 eV。

因此，具有Mo和Se空位的MoSe₂的水解离能垒和质子吸附能垒均降低，这也显著促进了Volmer-Heyrovsky过程，最终提高了催化剂的HER活性。总之，催化剂HER性能改善的原因归因于Mo和Se空位的存在，并且本文的离子束技术也展现了一种新型的合成高效、稳定的HER电催化剂的方法。

Ion Irradiation Activated Catalytic Activity of MoSe₂ Nanosheet for High-Efficiency Hydrogen Evolution Reaction, Advanced Energy Materials, 2023, DOI: 10.1002/aenm.202300651.

https://doi.org/10.1002/aenm.202300651.

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