Zeer efficiënte synthese van op koolstof gebaseerde molybdeenfosfide-nanodeeltjes voor elektrokatalytische waterstofevolutie

Implicaties van de hypothese

Figuur la liet zien dat het XRD-patroon van MoP-NC diffractiepieken vertoont op 27,95, 32,17, 43,15, 57,48, 57,95, 64,93, 67,03, 67,86 en 74,33, overeenkomend met de negen verschillende kristalvlakken van MoP. SEM-afbeeldingen van MoP-NC vertoonden amorfe microstructuren van kleine deeltjes (figuur 1b). De deeltjes verzamelden zich om kleine clusters te vormen, maar er was nog steeds een bepaalde opening tussen de clusters. Deze kleine en dichte structuur zorgde ervoor dat MoP-NC beide een aanzienlijke katalytische activiteit en een goede stabiliteit hebben (figuur 1c). Het is te zien aan TEM en TEM met hoge resolutie (HRTEM) (Fig. 1d, e) dat deze nanodeeltjes duidelijke roosterranden vertoonden, zoals roosterranden van het (100) vlak met een steek van 0, 28 nm. Bovendien waren buiten deze goed gedefinieerde roosterrandgebieden MoP-NC-nanodeeltjesranden, die de opname van MoP-NC-nanodeeltjes in de koolstofmatrix sterk ondersteunden. De overeenkomstige afbeelding van EDS-elementtoewijzing (Fig. 1f-i) verifieerde verder de uniforme verdeling van de vier elementen in het product MoP-NC.

een XRD-patronen voor MoP. b , c SEM-afbeeldingen van MoP-NC. d , e TEM- en HRTEM-beelden van MoP-NC. v –ik overeenkomstige EDS elementaire afbeeldingsafbeeldingen van Mo, P, C en N

Om de elementaire distributie van MoP-NC beter te begrijpen, werd XPS gekarakteriseerd. In het Mo 3d-spectrale gebied bevat Mo twee toestanden van Mo ³⁺ en Mo ⁶⁺ (Fig. 2a). De aanwezigheid van Mo 3d_3/2 en Mo 3d_5/2 in de Mo ³⁺ toestand leidde tot microvibratiepieken bij 231,5 en 228,2 ev, terwijl de pieken van 235,5 en 232,4 ev werden toegeschreven aan Mo 3d_3/2 en Mo 3d_5/2 in de Mo ⁶⁺ toestand, omdat het oppervlak van het MoP-NC-materiaal onvermijdelijk in de lucht werd geoxideerd [24, 25]. In het P 2p-gebied (Fig. 2b) werden microvibratiepieken van 130,7 en 129,4 eV toegewezen aan P 2p_1/2 en P 2p_3/2 , respectievelijk, onthullende de aanwezigheid van P ³⁻ [26]. De piek bij 133,9 eV kan worden toegeschreven aan PO₄ ³⁻ [27]. In het C 1s XPS-spectrum (Fig. 2c) waren de belangrijkste pieken die overeenkomen met de drie chemische bindingen respectievelijk 228,7 eV (OC=O), 284,8 eV (CN/C=C) en 286,3 eV (CC). ]. Het verschijnen van C-N/C=N suggereerde dat sommige koolstofatomen in MoP-NC werden vervangen door stikstofatomen om N-gedoteerde koolstof te vormen. In het spectrum van N1s (Fig. 2d), kunnen drie verschillende stikstofomgevingen worden opgelost vanuit dit gebied, waarbij de pieken van 398,4 en 402,1 eV met grotere bindingsenergieën overeenkwamen met de grote hoeveelheden pyridinium en de kleine hoeveelheid quaternaire stikstof, respectievelijk. Bovendien werd een piek bij 394,5 eV aangeduid als een combinatie van N en Mo 3p [29].

XPS-spectra van (a) Mo 3d, (b) P 2p, (c ) C 1s, en (d ) N 1s-regio's

De elektrokatalytische HER-activiteit van MoP-NC in 1 M KOH (pH =14) gebruikte een typisch systeem met drie elektroden met een zwaaisnelheid van 10 mV s ⁻¹ . Omdat de eigenschappen van de bereide materialen vergelijkende analyse vereisten, werden ook Mo-NC, Bulk-MoP en MoP-C bestudeerd. Figuur 3a toont LSV-curven. De toevoeging van Pt/C en een blanco glasachtige koolstofelektrode (Blank) zorgde ervoor dat de hele curven er meer hiërarchisch uitzagen. De overpotentiaal van MoP-NC bij een stroomdichtheid van 10 mA cm ⁻² vereist slechts 131 mV, wat aanzienlijk beter was dan die van Mo-NC en Bulk-MoP. Bovendien werden de LSV-prestaties van MoP-C bereid uit glucose in plaats van ureum als koolstofbron ook overschaduwd door MoP-NC. Het is vermeldenswaard dat in vergelijking met HER in een zure oplossing, de snelheid van H-ionenproductie tijdens de ontleding van HER-water in de alkalische laag langzamer was (ongeveer 2-3 ordes van grootte lager dan zure activiteit) en een grotere uitdaging had [30] ,31,32]. Figuur 3b toonde de aangepaste Tafel-grafiekvergelijking:η = een + b log j , waar b is de Tafelhelling en j is de stroomdichtheid [33]. De Tafelhelling van Pt/C is 58 mV dec ⁻¹ , vergeleken met Mo-NC (121 mV dec ⁻¹ ), Bulk-MoP (135 mV dec ⁻¹ ), en MoP-C (75 mV dec ⁻¹ ), had MoP-NC een lagere parameter van slechts 66 mV dec ⁻¹ , wat aangeeft dat de HER-katalytische kinetiek voor de MoP-NC-elektrode sneller was. Tegelijkertijd ontdekten we dat de MoP-NC in dit werk behoorlijk concurrerend was met de HER-prestaties van de eerder gerapporteerde op MoP gebaseerde composiet / koolstofelektrokatalysator (tabel 1). Zoals te zien is in tabel 1, waren de meeste op MoP gebaseerde materialen gebaseerd op zure omstandigheden en werden ze zelden getest onder alkalische omstandigheden [17,18,19, 22,23,24, 34,35,36,37]. Bovendien waren sommige ervan getest in zowel zure als alkalische omgevingen [38,39,40,41]. Alleen amorfe koolstof-gecoate MoP-materialen in deze materialen presteerden echter beter in alkalische omgevingen dan in zure omgevingen. De reden waarom MoP-NC in ons werk goede HER-prestaties kan bereiken in een alkalische omgeving, was omdat ureum werd gebruikt als zowel een koolstofbron als een stikstofbron in het syntheseproces, waarbij het ook wat gas ontleedde. Het vertraagde de polymerisatie van met N en C gedoteerd MoP, dat een uitstekende ondersteunende syntheserol speelde. De stabiliteit van de voorbereide materialen was continu CV met een scansnelheid van 100 mV s ⁻¹ . Na 1000 cycli had de LSV-curve een klein verlies aan stroomdichtheid in vergelijking met de initiële waarde (figuur 3c). Figuur 3d toonde de CV-plots van MoP-NC, die werd uitgevoerd bij hetzelfde spanningsbereik (0,847-0,947 V versus RHE) bij verschillende scansnelheidsbereiken (20-200 mV). Om de dubbellaagse capaciteit (C _dl ) van het materiaal, de C _dl van een reeks controlegroepen werd getoond in Fig. 3e. De C _dl van Mo-NC, Bulk-MoP en MoP-C waren 0,8 mF cm ⁻² , 60 μF cm ⁻² en 1,6 mF cm ⁻² , respectievelijk, terwijl de C _dl van MoP-NC was 10,9 mF cm ⁻² die veel groter was dan de bovengenoemde materialen. De suggestie gaf aan dat MoP-NC een hoger actief oppervlak had. Verder werd de geleidbaarheid van MoP-NC geëvalueerd door middel van elektrochemische impedantiespectroscopie (EIS). Figuur 3f toonde het Nyquist-diagram van de verschillende katalysatoren. De weerstand tegen ladingsoverdracht van de MoP-NC-katalysator was lager dan die van andere katalysatoren, wat betekende dat de snellere elektronenoverdrachtsverhouding van de MoP-NC-katalysator na N, C-co-doping de elektrokatalytische prestaties van HER verder verbeterde.

een LSV-curven met scansnelheid van 10 mV s ⁻¹ bij kamertemperatuur in 1 M KOH. b Tafelplots van de gesynthetiseerde monsters. c Stabiliteit van MoP-NC na 1000 cycli voltammetrie (CV) cyclus. d CV-plots van MoP-NC met een scansnelheid tussen 20 en 200 mV s ⁻¹ . e Dubbellaags condensator (C _dl ) van Mo-NC, Bulk-MoP, MoP-NC en MoP-C met een condensatorstroom van 0,1 V. f De EIS-spectra van Mo-NC, Bulk-MoP, MoP-NC en MoP-C