MoSe2-Ni3Se4 하이브리드 나노전기촉매 및 수소 진화 반응에 대한 향상된 전기촉매 활성

초록

MoSe₂ 결합 다른 전이 금속 디칼코게나이드와 함께 하이브리드 나노구조를 형성하는 것은 수소 발생 반응(HER)에 대한 전기 촉매 활성을 향상시키는 효과적인 경로입니다. 이 연구에서 MoSe₂ -Ni₃ Se₄ 꽃과 같은 형태를 가진 하이브리드 나노전기촉매는 종자 유도 용액 접근법에 의해 합성됩니다. 별도의 나노결정을 형성하기 위해 독립적으로 핵을 형성하는 대신 Ni₃ Se₄ 구성 요소는 MoSe₂의 초박형 나노 플레이크 표면에서 핵 생성 및 성장하는 경향이 있습니다. 하이브리드 나노 구조를 형성합니다. 모스₂ –Ni₃ Se₄ Mo:Ni 비율이 다른 하이브리드 나노전기촉매를 준비하고 HER 촉매 활성을 비교했습니다. 결과는 HER 활동이 Mo:Ni 비율에 의해 영향을 받는다는 것을 보여줍니다. 순수 MoSe₂와 비교 , MoSe₂ -Ni₃ Se₄ 2:1의 Mo:Ni 몰 비율을 갖는 하이브리드 나노전기촉매는 10mA/cm2에서 203mV의 과전위와 함께 향상된 HER 특성을 나타냅니다. 및 10년당 57mV의 Tafel 기울기. MoSe₂에서도 전도율이 향상되고 회전율(TOF)이 증가했습니다. -Ni₃ Se₄ 하이브리드 샘플.

소개

전통적인 화석 연료는 우리 사회의 주요 에너지원입니다. 그러나 그들은 재생 불가능하고 지속 불가능하며 환경에 심각한 오염을 일으키고 있습니다. 대체 에너지 중 수소 에너지는 에너지 밀도가 매우 높아 가장 유망한 청정 에너지 중 하나로 여겨져 왔다[1]. 지금까지 수소의 대규모 생산은 여전히 주로 화석 연료 공급원에서 이루어집니다[2]. 석탄 가스화 및 메탄 증기 개질은 산업적으로 수소의 95%를 생산합니다[3]. 수소 발생 반응(HER)은 고순도 수소를 생성하는 유망한 경로로 간주되어 왔습니다[1, 4, 5]. 그러나 산성 매질에서 HER에 대한 최상의 전기 촉매는 여전히 Pt 기반 및 기타 귀금속 재료입니다[6]. 희소성과 높은 비용으로 인해 Pt 기반 재료는 대규모 수소 발생에 적용하기에 적합하지 않습니다[7]. MoS₂와 같은 전이 금속 디칼코게나이드(TMD) , MoSe₂ , WS₂ 및 WSe₂ , 우수한 전기화학적 특성과 풍부한 흙으로 인해 많은 관심을 받아왔습니다. 대표적인 적층형 TMD 반도체 재료인 MoSe₂ 흑연과 유사한 구조를 가지며 반 데르 발스 힘에 의해 결합된 Se-Mo-Se 층에 의해 형성됩니다. 또한 MoSe₂ MoS₂보다 금속성 , 그리고 MoSe₂의 가장자리에 수소 흡착의 깁스 자유 에너지가 더 낮습니다. MoS₂보다 , 이는 수소의 더 높은 흡착으로 이어집니다[8]. 이 계정에서 MoSe₂ 그리고 그 하이브리드는 HER의 전기촉매로 많은 관심을 받았습니다.

활성 부위만 HER에 효과적이라는 것은 잘 알려져 있습니다. TMD 나노시트와 같은 2차원 적층 나노구조의 경우, HER의 활성 부위는 나노시트 가장자리를 따라 위치하는 반면 [9], 기저 표면은 불활성입니다. 전기촉매의 전도도는 HER에 있어서도 중요한 문제입니다. 반도체의 일종으로 MoSe₂의 열악한 전자 수송 능력 귀금속에 비해 HER에서 성능이 여전히 제한적입니다[10]. 따라서 TMD 촉매의 활성을 향상시키기 위한 일반적인 전략은 전기 전도도를 향상시키고[11, 12] 활성 부위 수를 늘리는 것[12, 13, 14]입니다. 한편, 서로 다른 유형의 반도체 재료, 특히 선호하는 방향으로 TMD를 통합하여 하이브리드 구조를 설계하는 것은 반도체 재료의 전자 특성을 조정하는 중요한 접근 방식으로 간주됩니다[15,16,17]. 효율적인 이종계면을 갖는 하이브리드 나노구조는 전기화학적 반응에 중추적인 빠른 계면 전하 이동을 촉진할 수 있다[18]. 또한, 전기화학 반응에서 수소를 생성하기 위해서는 흡착, 환원, 탈착의 3가지 기본 단계가 필요하다는 것은 잘 알려져 있다[19]. 서로 다른 화학 성분으로 구성된 하이브리드 물질의 우수성 중 하나는 많은 단일 성분 촉매가 세 가지 중간 반응 과정 모두에 효과적이지 않다는 한계를 극복할 수 있다는 것입니다. 최근 일부 연구자들은 Ni 기반 촉매를 MoSe₂와 통합했습니다. 향상된 HER 성능을 달성하기 위해 다양한 방법을 사용하여 다양한 형태로 제공됩니다[15, 18, 20]. MoSe₂의 조합 Ni 셀렌화물과 혼성 구조를 형성하는 것은 향상된 전기 촉매 활성을 달성하기 위해 2개의 이종 성분 사이의 상호 작용에서 발생하는 상승 효과를 활용할 수 있습니다. 예를 들어, DFT 계산은 MoS_{2(1−x )} Se_2x /NiSe₂ 순수 MoS_{2(1−x)보다 (100) 및 (110) 평면에서 훨씬 더 낮은 수소 흡착 깁스 자유 에너지를 가짐 )} Se_2x , 이는 활성 부위에서 수소의 더 높은 적용 범위를 초래할 수 있고 따라서 탁월한 전기 촉매 성능을 달성할 수 있습니다[21].

여기서 우리는 Ni₃를 성장시켜 하이브리드 나노전기촉매를 제조하려고 합니다. Se₄ 꽃 모양의 MoSe₂ 표면에 우리의 이전 연구에서 보고된 콜로이드 방법을 통해 합성된 종자[22]. 이러한 종자 유도 성장 접근법은 다양한 TMD 하이브리드 나노구조를 구축하는 손쉬운 수단을 제공합니다. Ni₃를 선택한 이유 Se₄ 하이브리드 구성 요소는 Ni₃ Se₄ 다른 니켈 셀렌화물보다 전기 전도성이 높습니다[23]. Ni₃의 영향을 조사하기 위해 Se₄ 촉매의 활성도에 따라 최적의 조성비를 찾아 Ni₃의 함량을 체계적으로 조절했습니다. Se₄ 및 MoSe₂ , 그리고 적당한 함량 Ni₃의 통합을 발견했습니다. Se₄ MoSe₂로 –Ni₃ Se₄ 하이브리드 시스템은 HER 성능을 향상시킬 수 있습니다. 우리의 결과는 MoSe₂의 하이브리드 나노구조의 구성이 –Ni₃ Se₄ 순수한 MoSe₂의 HER 성능을 향상시키는 효과적인 접근 방식입니다. .

방법/실험

MoSe 합성₂ –Ni₃ Se₄ 하이브리드 나노전기촉매

MoSe₂ 합성 –Ni₃ Se₄ 하이브리드 나노전기촉매는 두 단계를 포함합니다. 첫 번째 단계에서 MoSe₂ 종자는 우리의 이전 연구[22]에서 보고된 방법에 따라 합성되었습니다. 간단히 말해서, 올레산(OA, 85%, Aladdin Bio-Chem Technology Co., Ltd.) 10mL 및 몰리브덴 헥사카르보닐(Mo(CO)₆ 0.4mmol , 98%, J&K Scientific Ltd.)을 혼합하고 아르곤 가스에서 천천히 85℃까지 가열하였다. 이어서, 혼합 용액의 온도를 200℃로 높이고 1-octadecene(ODE, 90%, Aladdin Bio-Chem Technology Co., Ltd.) 및 Se(99.999%, J&K Scientific Ltd.)의 Se 농도가 0.15mmol/mL인 용액을 0.5mL/min의 주입 속도를 사용하여 반응 용액에 주입하였다. 주입이 완료되면 반응을 30분 더 유지하여 MoSe₂를 생성했습니다. 씨앗. 다음 단계에서 반응 온도를 300°C로 높이고 ODE와 Se의 3.3mL 용액과 니켈(II) 아세틸아세토네이트(Ni(acac)₂ , 0.2mmol, 96%, J&K Scientific Ltd.)을 반응 혼합물에 주입하고 300℃에서 30분 동안 유지하였다. 상온으로 식힌 후 반응 생성물을 에탄올과 헥산으로 세척하고 상온에서 건조하였다. 합성된 샘플은 MoSe₂에서 Mo:Ni의 몰 비율을 나타내는 Mo2Ni1로 표시되었습니다. –Ni₃ Se₄ 하이브리드 샘플은 2:1입니다. 기타 MoSe₂ –Ni₃ Se₄ 다른 품질의 Ni 및 Se 소스 혼합물이 반응에 추가되었다는 점을 제외하고 동일한 절차를 사용하여 Mo 대 Ni 비율이 다른 나노하이브리드 샘플을 합성했습니다.

특성화

결정상은 X선 회절계(Bruker D8-Advance)를 사용하여 특성화되었습니다. 투과전자현미경(TEM) 이미지는 JEM-2100 투과전자현미경을 사용하여 얻었다. TECNAI F-30 투과 전자 현미경을 사용하여 고각 환형 암시야(HAADF) 이미징 및 해당 요소 매핑을 수행했습니다. 주사 전자 현미경(SEM) 이미지는 SU-70 주사 전자 현미경을 사용하여 획득했습니다. X선 광전자 분광법(XPS) 데이터는 Al Kα 소스가 있는 분광계(PHI QUANTUM 2000)를 통해 얻었습니다.

전기화학 테스트

전기화학적 테스트는 H_{2 SO₄ (0.5 M) 전해질. 전기촉매 잉크를 제조하기 위해 합성된 전기촉매(4 mg), Ketjenblack 카본 블랙(0.5 mg) 및 Nafion 용액(30 μL)을 에탄올 함량이 20 vol%인 에탄올-물 용액(1 mL)과 혼합하였다. 그런 다음 혼합물을 30분 동안 초음파 처리했습니다. 마지막으로, 5μL의 잉크(약 20μg의 전기촉매 함유)를 유리질 탄소 전극에 증착하여 약 0.286mg/cm2의 로딩을 갖는 필름을 형성했습니다. 그리고 실온에서 건조시켰다. 2 mV s⁻¹
의 스캔 속도를 사용하여 편광 곡선을 얻었습니다. 25 °C에서 0.2 ~ -0.6 V(가역적 수소 전극(RHE) 대비). 전기화학적 임피던스 분광법(EIS) 데이터는 – 260mV에서 0.01Hz ~ 100kHz 범위의 주파수에서 얻었습니다. 0.1 ~ 0.2 mV 범위의 이중층 정전용량(non-Faradaic potential)을 구하고 전극의 유효표면적을 계산하기 위해 순환전압전류법(CV) 테스트를 수행했습니다.}

결과 및 토론

MoSe₂ 합성 –Ni₃ Se₄ 하이브리드 나노전기촉매는 나노크기의 Ni₃ Se₄ 미리 형성된 MoSe₂에서 제자리에서 자랍니다. 종자(그림 1). 첫 번째 단계에서 MoSe₂ 종자는 Mo 전구체(Mo(CO)₆ 사이의 반응을 통해 합성되었습니다. ) 및 초박형 MoSe₂를 처리하는 200°C의 ODE에서 OA의 존재하의 Se 가열 과정에서 형성된 나노 플레이크는 다시 꽃과 같은 MoSe₂로 자체 조립됩니다. 입자 [22]. 넓은 표면적을 가진 꽃과 같은 형태는 두 번째 성분의 분산과 친밀한 상호작용을 촉진할 수 있습니다[24]. 온도가 300 °C에 도달한 후 Ni(acac)₂를 포함하는 용액 ODE-Se는 MoSe₂를 포함하는 뜨거운 반응 혼합물에 빠르게 주입되었습니다. 씨앗. 이 단계에서 Ni₃ Se₄ MoSe₂ 표면에서 핵 생성 및 성장 MoSe₂를 형성하는 나노플레이크 –Ni₃ Se₄ 하이브리드 나노구조. 이 손쉬운 합성 전략은 MoSe₂ 합성에 효과적입니다. –Ni₃ Se₄ 유사한 실험 조건에서 Mo:Ni 비율이 다른 하이브리드 나노전기촉매를 사용하여 다른 MoSe₂를 구축할 수 있습니다. 기반 하이브리드 나노전기촉매.

<사진>

MoSe₂ 형성의 개략도 –Ni₃ Se₄ 하이브리드 나노전기촉매

그림 2는 순수 MoSe₂의 XRD 패턴을 비교합니다. 및 MoSe₂ –Ni₃ Se₄ 하이브리드 샘플. 순수한 MoSe₂의 회절 피크 샘플은 육각형 MoSe₂에 따릅니다. (PDF# 29-0914) MoSe₂ 동안 –Ni₃ Se₄ Mo:Ni 비율이 다른 하이브리드 샘플은 육각형 MoSe₂의 조합 피크를 나타냅니다. 및 단사정 Ni₃ Se₄ (PDF# 13-0300). 첨가된 Ni 전구체의 함량이 증가함에 따라 Ni₃의 피크 강도 Se₄ XRD 패턴에서도 증가하여 Ni₃의 농도를 나타냅니다. Se₄ MoSe₂에서 –Ni₃ Se₄ 하이브리드 나노전기촉매도 증가합니다. 따라서 Ni₃의 내용은 Se₄ MoSe₂에서 –Ni₃ Se₄ 하이브리드 나노전기촉매는 첨가된 Ni 전구체의 함량을 조절함으로써 조정될 수 있다. SAED 분석(추가 파일 1:그림 S1)도 육각형 MoSe₂의 공존을 보여줍니다. 및 단사정 Ni₃ Se₄ , XRD 결과를 확인합니다. 첨가되는 Ni 전구체의 함량이 증가함에 따라 Ni₃에 속하는 회절고리 Se₄ 또한 Ni₃의 상대적인 함량이 Se₄ MoSe₂의 구성요소 –Ni₃ Se₄ 하이브리드 나노전기촉매도 증가합니다.

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순수 MoSe₂의 XRD 패턴 및 MoSe₂ –Ni₃ Se₄ Mo:Ni 비율이 다른 하이브리드 샘플. 대량 MoSe₂의 참조 패턴 및 Ni₃ Se₄ 도 포함됩니다

준비된 샘플의 형태를 SEM 및 TEM으로 분석했습니다. 순수한 MoSe₂ 크기가 100~200nm인 꽃과 같은 형태를 가지고 있습니다(추가 파일 1:그림 S2). Ni₃ 통합 시 Se₄ , 나노플라워의 꽃잎이 두꺼워지기 시작하고(그림 3), Ni₃가 증가함에 따라 꽃과 같은 형태가 점차 사라지는 경향을 뚜렷하게 볼 수 있습니다. Se₄ 콘텐츠. Mo2Ni1 샘플에 대한 고해상도 TEM(HRTEM) 분석(그림 4a, b)은 두 가지 유형의 명백한 격자 무늬를 나타냅니다. 0.64 nm의 면간 간격을 갖는 것은 MoSe_{2 [25], 그리고 0.27 nm의 면간 간격을 갖는 것은 Ni₃의 (-112) 평면과 잘 일치합니다. Se₄ . 결과는 두 MoSe₂의 존재를 확인합니다. 및 Ni₃ Se₄ 하이브리드 나노구조의 구성요소와 나노꽃 꽃잎의 주요 표면은 {001} MoSe₂ 면으로 구성됩니다. . 또한 두 개의 다른 격자 무늬가 대략 평행하므로 Ni₃ Se₄ MoSe₂ 측면에서 성장할 수 있음 MoSe₂의 c축을 따라 .}

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SEM 이미지(a , b , d , e , 지 , 및 h ) 및 TEM 이미지(c , f , 및 i )의 Mo5Ni1(a -ㄷ ), Mo2Ni1(d -f ) 및 Mo1Ni1(g -나 ) 샘플

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HRTEM 이미지(a 그리고 b ), HAADF 이미지(c ) 및 원소 지도(d -f ) Mo2Ni1 샘플

HAADF 이미지와 함께 에너지 분산 X선 분광법(EDS) 원소 지도(그림 4d -f ) Se, Ni 및 Mo의 존재를 확인합니다. 그러나 Mo와 Ni의 공간 분포는 약간 다릅니다. Mo는 기본적으로 나노플라워에 균일하게 분포되어 있는 반면 Ni는 나노플라워의 꽃잎 근처에 집중되는 경향이 있어 Ni₃ Se₄ MoSe₂에서 성장해야 합니다. 꽃잎. 더 두꺼운 Ni₃의 피복 Se₄ MoSe₂의 레이어 MoSe₂의 활성 사이트를 차단할 수 있습니다. 결국 HER 성능 저하로 이어집니다. Ni 및 Se 소스의 주입량 외에도 주입 속도는 MoSe₂의 형태에도 영향을 미칩니다. –Ni₃ Se₄ 하이브리드 나노구조. Ni 및 Se 소스의 더 작은 주입 속도(1.65mL/min)를 사용했을 때 제품은 불균일한 형태를 갖는 것으로 나타났습니다(추가 파일 1:그림 S3). 이것은 MoSe₂의 형성을 나타냅니다. –Ni₃ Se₄ 하이브리드 나노구조는 또한 동역학적으로 제어되는 과정입니다.

XPS 분석(그림 5a-d)은 하이브리드 샘플에서 Mo, Ni 및 Se의 존재를 추가로 확인합니다(Mo2Ni1을 일반적인 예로 사용). Se 3d 영역(그림 5b)의 경우 54.75 및 55.75eV의 두 피크가 Se 3d_5/2에 할당됩니다. 및 Se 3d_3/2 , 각각 Se의 산화 상태가 -2임을 나타냅니다[26]. 59.37 eV의 명백한 피크는 표면의 Se 종이 산화되었음을 시사합니다[20, 26]. 그림 5c에서 229.37 및 232.50eV에 위치한 두 개의 피크는 Mo 3d_5/2에 할당됩니다. 및 3d_3/2 , 각각 Mo의 +4 산화 상태를 나타냅니다[8, 11, 26]. 그림 5d에서 Ni 2p 피크가 명확하게 나타나며 856.62 및 874.12 eV의 피크가 Ni 2p_3/2와 잘 일치합니다. 및 Ni 2p_1/2 , 각각. 861.87 및 880.37 eV의 두 위성 피크는 Ni가 +2에 가까운 산화 상태에 있음을 시사합니다[27].

<그림>

Mo2Ni1 샘플의 XPS 스펙트럼. 아 조사 스펙트럼이다. ㄴ ), ㄷ , 및 d Se, Mo 및 Ni의 확장된 스펙트럼을 각각 보여줍니다.

MoSe₂의 형성 메커니즘 –Ni₃ Se₄ 상기 특성화 결과로부터 하이브리드 나노구조체를 이해할 수 있다. 꽃같은 모스₂ 종자는 Ni₃의 형성을 유도하는 데 중요한 역할을 합니다. Se₄ MoSe₂ 표면에 . 300 °C의 반응 온도에서 Ni(acac)₂ Se와 반응하여 Ni₃를 형성하기 위해 쉽게 분해됩니다. Se₄ . MoSe₂의 표면 Ni₃의 핵 생성을 유도하는 불균일 핵 생성 사이트로 작용할 수 있습니다. Se₄ . 분명히 이러한 불균일 핵생성 과정은 균일 핵생성보다 적은 활성 에너지를 필요로 합니다. 따라서 Ni₃ Se₄ MoSe₂ 표면에서 성장하는 것으로 관찰됨 독립적으로 균일한 핵 형성에 의해 형성되는 분리된 입자 대신 꽃잎과 같은 형태를 형성합니다. Ni 및 Se 소스의 양이 추가로 증가함에 따라 Ni₃ Se₄ Ni₃ 표면에서 성장하는 경향이 있습니다. Se₄ 이미 형성된 꽃잎. 결과적으로 MoSe₂ –Ni₃ Se₄ Ni₃의 두께가 증가된 하이브리드 나노구조 Se₄ 꽃잎이 관찰된다(그림 3의 형태적 진화 참조).

제조된 촉매의 전기촉매 활성은 산 용액에서 3전극 시스템을 사용하여 측정하였다. 도 6a에 도시된 바와 같이, 모든 개시 과전위(즉, 1mA cm^-2 의 전류 밀도를 달성하는 데 필요한 전위) ) 다양한 촉매 중 [28] 작습니다. Mo5Ni1 샘플은 HER에 대해 128mV의 가장 낮은 개시 과전위를 요구하는 반면, 다른 촉매의 경우 개시 과전위 값은 MoSe₂에 대해 163, 140, 162 및 216mV입니다. , Mo2Ni1, Mo1Ni1 및 Ni₃ Se₄ , 각각. 음극 전류 밀도가 -10mA cm^-2 에 도달할 때 , Mo2Ni1 샘플은 203mV의 가장 작은 과전위가 필요합니다. 필요한 과전위는 MoSe₂에 대해 234, 220,250 및 299mV입니다. , Mo5Ni1, Mo1Ni1 및 Ni₃ Se₄ , 각각. 얻은 샘플을 더 조사하기 위해 Tafel 방정식을 사용하여 Tafel 곡선의 선형 부분을 분석했습니다.

$$ \eta =b\;\log\;j+a $$ (1) <그림>

편광 곡선(a ) 및 해당 Tafel 플롯(b )의 MoSe₂ , Mo5Ni1, Mo2Ni1, Mo1Ni1, Ni₃ Se₄ 및 Pt/C. ㄷ Nyquist는 250mV의 과전위에서 플롯합니다. d 1000 사이클 전후의 Mo2Ni1 샘플의 편광 곡선

여기서 j 현재 밀도, η 는 과전위이며 b Tafel 슬로프입니다. 그림 6b에서 볼 수 있듯이 Mo2Ni1 샘플의 Tafel 기울기는 57mV/decade입니다. 이 값은 Mo5Ni1(디케이드당 85mV), Mo1Ni1(디케이드당 88mV), Ni₃의 기울기보다 상당히 작습니다. Se₄ (10년당 82mV) 및 MoSe₂ (10년당 71mV) 샘플. 한편, Pt/C는 10년당 ~ 33mV의 Tafel 기울기를 나타내며, 이는 알려진 값과 잘 일치합니다[29]. 이론적으로 낮은 Tafel 기울기는 더 빠른 HER 역학을 시사합니다[30]. HER 공정의 주요 반응 메커니즘은 Tafel 기울기에 의해 밝혀질 수 있습니다[15, 19]. HER 프로세스에 참여할 수 있는 세 가지 주요 단계가 있습니다. 즉, Volmer 반응:H⁺ (aq) + e^- → H_광고 , Heyrovsky 반응:H_광고 + H⁺ (aq) + e^- → H₂ (g) 및 Tafel 반응 H_광고 + H_광고 →H₂ (G). 25°C에서 세 가지 반응의 Tafel 기울기 값은 각각 10년당 118mV, 10년당 39mV, 10년당 29mV입니다[19]. 따라서 우리 연구의 결과는 Volmer-Heyrovsky [31,32,33]의 메커니즘이 HER에서 준비된 모든 샘플에 대해 지배적이어야 함을 시사합니다.

전극의 동역학을 더 조사하기 위해 EIS에 의해 획득된 5개 샘플의 Nyquist 플롯이 그림 6c에 표시됩니다. 전하 이동 저항(R _ct )는 저주파 영역에서 달성되는 전극의 동역학과 밀접한 관계가 있습니다. R의 작은 값 _ct 더 높은 반응 속도와 관련이 있습니다[34]. R의 값 _ct Mo2Ni1의 최대값은 13.0Ω으로 5개 샘플 중 가장 낮은 값이다. 다른 샘플의 경우 R _ct 값은 MoSe₂의 경우 27.5, 27.1, 109.1 및 254.6Ω입니다. , Mo5Ni1, Mo1Ni1 및 Ni₃ Se₄ , 각각. 가장 낮은 R _ct 의 Mo2Ni1은 준비된 샘플 중에서 가장 빠른 전하 이동 과정을 제안합니다. 결과는 Mo2Ni1 샘플의 우수한 HER 전기촉매 효율을 추가로 증명합니다. MoSe₂ 간의 시너지 효과를 통한 전자 구조의 변조로 인해 더 나은 전도성이 나타날 수 있습니다. 및 Ni₃ Se₄ . 그림 6d는 Mo2Ni1 샘플의 안정성을 특성화하기 위한 편광 곡선을 나타냅니다. 1000 사이클 후에 촉매 성능은 약간만 저하됩니다. 시너지 효과는 촉매 표면의 흡착-흡수 상호작용을 제어하는 데 중요한 역할을 하여 촉매 반응의 속도 결정 단계를 결정합니다[35]. 따라서 시너지 효과의 활용은 HER 활성 향상을 위한 하이브리드 나노구조의 주요 이점을 구성합니다.

촉매의 전기화학적 활성 표면적(ESCA)을 대략적으로 계산하기 위해, 전기화학적 이중층 정전용량(C _dl )는 서로 다른 스캔 속도에서 순환 전압전류법(CV)을 사용하여 측정됩니다(추가 파일 1:그림 S4). Δj의 플롯 =(j _아 -j _ㄷ )( j _아 그리고 j _ㄷ 는 각각 0.15V의 전압에서 충방전 시의 전류 밀도) 스캔 속도에 대한 전류 밀도는 그림 7a와 같으며 C _dl 값은 기울기의 절반으로 계산됩니다. Mo2Ni1 전시 C _dl 2.67mF·cm⁻² 값 값보다 약간 작은 값(3.06mF cm⁻² )의 MoSe₂ 및 Mo5Ni1(2.82mF·cm⁻² ), Ni₃의 추가를 제안합니다. Se₄ 전기화학적 활성 표면적을 더 이상 증가시킬 수 없으며 결과는 TEM 관찰과 일치합니다. 따라서 Mo2Ni1 시료의 HER 촉매 활성이 개선된 이유는 전기화학적 활성 표면적의 증가 때문이 아니라 MoSe₂ 간의 시너지 효과 때문일 것입니다. 및 Ni₃ Se₄ , 전도성 촉진과 함께. 또한 다양한 촉매의 활성 사이트 수와 전환 빈도(TOF)를 추정했습니다. 활성 물질의 수는 50mV s^-1 스캔 속도의 인산염 완충 식염수 전해질에서 -0.4 ~ 0.6V로 기록된 다양한 촉매의 CV 곡선에 의해 얻어집니다. (추가 파일 1:그림 S5) [30, 36]. Mo2Ni1에 대해 계산된 활성 사이트 수는 1.02 × 10⁻⁶ 입니다. MoSe₂의 경우 mol 0.77 × 10⁻⁶ 입니다. 몰. 또한 Mo2Ni1의 각 활성 사이트에 대해 – 200mV에서 계산된 TOF는 3.4s⁻¹ 입니다. , 또한 그보다 큽니다(2.1 s⁻¹ )의 MoSe₂ (그림 7b). 이론적으로 촉매의 HER 활성은 (a) 활성 부위 번호, (b) 활성 부위 품질(전환 빈도), (c) 활성 부위 간의 전도도의 세 가지 요인에 기인할 수 있습니다[37]. 이 작업에서는 Mo2Ni1이 C_dl의 값이 약간 더 작음에도 불구하고 MoSe₂와 비교 , 가장 낮은 전하 전달 임피던스, 가장 활성 사이트 및 가장 높은 TOF를 보유합니다. 따라서 전반적으로 최고의 HER 활성을 나타냅니다.

<그림>

아 이중층 용량 전류 대 MoSe₂의 스캔 속도 , Mo5Ni1, Mo2Ni1, Mo1Ni1 및 Ni₃ Se₄ 시료. ㄴ 순수 MoSe₂의 계산된 TOF 및 Mo2Ni1 샘플

결론

MoSe₂ 합성을 위한 종자 유도 용액 경로가 개발되었습니다. –Ni₃ Se₄ 하이브리드 나노전기촉매. 모스₂ 초박형 나노플레이크의 조립으로 구성된 꽃과 같은 형태의 종자는 Ni₃의 성장을 유도하는 데 사용되었습니다. Se₄ MoSe₂ 꽃잎 위에 . MoSe₂의 화학 조성 –Ni₃ Se₄ 하이브리드 나노전기촉매는 Ni₃의 함량을 조정하여 조절할 수 있습니다. Se₄ . Ni₃의 조합이 관찰되었습니다. Se₄ MoSe₂ 포함 하이브리드 나노구조를 형성하는 것은 MoSe₂의 HER 성능을 향상시킬 수 있습니다. . 모스₂ –Ni₃ Se₄ Mo:Ni 비율이 2:1인 하이브리드 나노전기촉매는 10mA cm에서 140mV의 작은 시작 과전위, 201mV의 과전위를 갖는 놀라운 HER 성능을 제공합니다.^-2 57mV dec⁻¹ 의 작은 Tafel 기울기 산성 조건에서. 향상된 전도성과 TOF도 관찰되었습니다.