圖1.具有強耦合作用鉬基雜化金屬材料製備示意圖
新能源轉換和儲存技術是當今世界解決目前化石能源危機和環境汙染問題的核心途徑. 廉價的電解水產氫催化劑和高容量的儲能材料成為大規模推廣此類新能源技術的關鍵. 對於電解水產氫而言, 貴金屬鉑基催化劑的產氫活性最好, 但其有限資源無法推廣使用. 相比而言, 非貴金屬鉬基材料以其特殊的理化性質表現出優異的分解水制氫活性, 但存在導電性低及材料團聚問題嚴重, 這導致材料活性位點暴露少和穩定性差等問題. 為了解決這些挑戰性問題, 近日, 北京大學工學院郭少軍團隊提出了一種具有強耦合作用鉬基金屬雜化材料的製備新策略提升電催化產氫性能, 並發現強耦合材料對於儲鈉展現了優異的容量, 倍率和穩定性, 相應結果發表在Advanced Materials, 全文連結: https://onlinelibrary.wiley.com/doi/full/10.1002/adma.201706085.
目前的工作首先製備具有多級空心結構的鉬基金屬螯合物, 通過煆燒原位轉化的方法製備一系列鉬基化合物 (包括MoP, MoS 2, Mo 2C和MoO 2) 與碳空心基底之間具有強耦合相互作用的雜化材料 (圖1) . 多級碳空心結構(HCSs)具有較高的表面積, 優異的導電性及結構穩定性等特點, 成為最佳的複合材料基底. 通過原位轉化得到的超小鉬基活性材料與碳空心基底材料強烈耦合, 有效提高材料的導電性和穩定性. 電催化產氫測試表明MoP@HCSs在酸性溶液和堿性溶液中均具有優異的析氫反應活性和穩定性. 另外研究發現, MoS 2/C HCSs作為鈉離子電池負極材料, 表現出優異的電化學性能. 在4A/g電流密度進行充/放電迴圈1000圈, 其容量依舊高達410mAh/g. 這種獨特的碳納米片上生長MoS 2納米片結構可以縮短離子傳輸路徑, 多級碳空心結構有效提高電子傳輸性能和緩解充放電過程中應力的變化, 同時這種強相互耦合作用可以避免MoS2納米片層結構的團聚, 有效提高電極材料的倍率性能和迴圈壽命. 該工作為下一代新型高性能能源材料的設計提供了新策略和指導思路.
