科学研究

1、应用领域:

   现今,人类社会对于能源的需求日趋增加,然而目前主要的能源载体仍集中在化石形式的能源如石油、煤、天然气等,这类能源存在诸多限制,如储量有限,在使用过程中释放大量温室气体甚至是有毒有害气体,新型清洁能源亟待开发。在众多潜在的清洁能源中,氢能以其清洁、绿色等重要特点脱颖而出,被誉为是化石能源最理想的替代品,故此,氢能的高效获得成为关键。电化学产氢是一种重要的获得氢气的技术。通过电解水可以理论上获得大量清洁的氢气,该过程本身具有重大的应用前景,然而,如果不使用催化剂材料,该过程会产生较大过电位,不可避免的增加较多能耗。目前催化氢气析出反应的催化剂中,贵金属铂基催化剂具有非常优异的性能,然而其成本高昂,限制了其在工业生产中的应用。相比于贵金属Pt基催化剂,部分非贵金属催化剂显示了可以媲美的催化性能,尤其是二硫化钼基材料,其储量丰富、酸性介质中化学及HER性质均较为稳定使其受到了广泛关注。但是,二硫化钼材料目前与Pt基催化剂相比仍有不小距离,公认的可能原因有:导电性差、因材料高规整度造成的活性位点密度低等。因此,改善MoS2材料的导电性和通过破坏规整度来增加活性位点密度可能成为提升二硫化钼催化HER性能的重要研究思路,目前这一领域也成为了人们研究的热点和难点。

   激光液相烧蚀法是一种新近开发的纳米材料的合成方法,拥有多重优势如:(1)前驱体简单、无催化剂、过程快速且绿色环保、副产物少;(2)方法温和,室温条件即可完成,大大降低了合成的能耗和危险性;(3)用途广泛,可适用于种类繁多的材料合成。此外,高能激光在烧蚀材料表面时会在瞬间形成高温高压环境,将激光处理的材料迅速淬火至室温可以有效保留材料表面的丰富的缺陷位。我们认为,基于绿色、高效、可控可调度高的激光液相烧蚀法,可获得富缺陷的钼硫族化合物,为MoS2催化HER性能的提高提供完美解决方案,也进一步推进MoS2材料在实际工业生产中的应用。

2、成果简介:

   利用激光法快速高效的合成纳米催化剂,可在室温条件下,快速获得大量富含空位的纳米材料,并通过电化学测试证明激光能有效提升其催化性能,一步解决硫化钼催化活性位点难以暴露、导电性差的问题,并且在合成的过程中,实现硫空位含量的可控调节,并通过理论计算证明激光引入的硫空位对HER反应的提升,并且这种快速高效的方法有利于进一步在工业应用中推广。


图1. 激光法获得的MoS2纳米片的示意图及其性能表征图。

3、经济效益与应用前景分析:

   鉴于针对二硫化钼本身催化活性低、导电性差等问题,通过实验的开展进一步利用激光的特点进行绿色、快速、高效的合成,以实现在二硫化钼中可控调节硫空位含量为目标,一步解决硫化钼催化活性位点难以暴露、导电性差的问题,发展面向电化学性能优化提升的激光诱导空位引入的方法,制备得到一系列高催化活性、廉价的电催化材料,为激光法在实际应用中进一步拓展奠定基础。同时将从成本控制方面出发,积极寻求商业合作,推进高性能廉价工业催化剂的产业化应用进程。


联系人:周玥

单位:山东科技大学

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