몰리브덴 황화물 나노 촉매를 이용한 수소 진화 반응 연구

우리는 전기 화학적 수소 진화 반응을 위한 나노 구조화 몰리브덴 황화물 촉매의 최근 개발에 대해 논의합니다. 촉매 간의 일관되고 의미 있는 비교를 수행하기 위한 프레임 워크를 개발하기 위해 촉매 성능을 측정하기 위한 표준 실험 방법론을 검토하고 이 관점에서 촉매 활성을 비교하는 데 사용되는 두 가지 지표를 정의합니다. 활성이 향상된 촉매를 합성하기 위한 일반적인 전략, 즉 전기적으로 접근 할 수 있는 활성 부위의 수를 늘리거나 각 부위의 회전율을 높이는 방법에 대해 논의합니다. 그런 다음 실제로 이러한 전략을 강조하기 위해 결정질 MoS2, 비정질 MoSx 및 분자 클러스터 물질을 포함한 여러 최신 황화 몰리브덴 촉매를 고려합니다. 이러한 촉매를 비교해 보면 대부분의 황화 몰리브덴 촉매는 유사한 활성 부위 전환 빈도를 가지므로 총 전극 활성은 주로 기하학적 전극 면적당 접근 가능한 활성 부위의 수에 의해 결정됩니다. 현재의 촉매 한계를 극복하기 위한 새로운 전략과 광전기 화학 물 분리 장치 및 전해조를 포함한 황화 몰리브덴 촉매의 잠재적 인 응용 프로그램도 고려됩니다. 전 세계의 증가하는 인구에게 깨끗하고 저렴한 에너지를 공급하는 것은 중요한 과제입니다. 글로벌 에너지 수요는 2010 년 17TW에서 2040 년 27TW로 증가 할 것으로 예상됩니다. 화석 연료가 계속해서 글로벌 에너지 환경을 지배하고 있지만 지구 기후에 대한 인위적 이산화탄소의 영향에 대한 우려가 증가함에 따라 풍력 및 태양열과 같은 지속 가능한 에너지 기술이 매력적인 옵션이 되었습니다. 그러나 에너지 저장 및 현재 전력망에 통합하는 문제는 구현을 방해했습니다. 전기 화학적 및 광전기 화학적 물 분할은 지속 가능하고 간헐적 인 에너지 자원 (예 : 풍력 및 태양열)을 수소, 높은 에너지 밀도 및 에너지 벡터의 형태로 저장하는 유망한 방법입니다. 잠재적으로 탄소 배출이 없다. 그러나 경제적으로 물 분할을 광범위하게 구현하려면 상당한 기술 발전이 필요합니다. 르. 한 가지 중요한 요구 사항은 지구가 풍부한 재료로 구성된 고 활성의 안정적인 전기 촉매를 개발하는 것입니다. 이러한 관점에서 우리는 수소 발생 반응 (HER)을위한 황화 몰리브덴 전기 촉매에 대해 논의합니다. 텅스텐 설파이드 (WS2)와 같은 다른 디칼 코게 나이드는 HER 촉매로서의 가능성을 보였지만 여기서 논의하지 않을 것입니다. 높은 활성, 뛰어난 안정성 및 귀금속이 없는 구성으로 인해 황화 몰리브덴 재료는 전기 화학 수소 생산을 가능하게 하는 유망한 재료 등급을 나타냅니다. 최근 몇 년 동안 MoS2 HER 촉매 작용에 있어 많은 중요한 발전이 있었으며 그 중 많은 부분이 다른 곳에서 검토되었습니다. 이러한 관점에서 우리는 황화 몰리브덴 HER의 활성을 개선하기 위한 전략을 평가하고 비교하기위한 프레임 워크를 제공하는 것을 목표로 합니다. 촉매. 먼저 HER 촉매의 활성을 측정하기 위한 모범 사례를 논의한 다음, 활성이 개선 된 MoS2 촉매를 개발하기 위한 중요한 접근 방식을 설명하기 위해 여러 특정 연구를 강조합니다. 우리는 결정질, 비정질 및 분자 클러스터 몰리브덴 황화물 재료를 고려합니다. 활동 향상을 위한 다양한 전략의 효능을 평가하기 위해 회전 빈도, 고유 활동 메트릭 및 장치 지향 총계 인 10mA / cm2 전극에 도달하는 데 필요한 과전압이라는 두 가지 메트릭을 사용하여 가장 성공적인 촉매를 비교합니다. 전극 활동 메트릭. 마지막으로 MoS2 촉매 작용의 새로운 방향에 대해 논의합니다. HER는 Volmer–Heyrowsky 메커니즘 또는 Volmer–Tafel 메커니즘을 통해 발생할 수 있습니다. 두 경우 모두 반응은 전극 표면에 흡착 된 수소 원자 Had를 통해 진행되며, 따라서 전체 반응 속도는 원래 Parsons가 설명한대로 수소 흡착 자유 에너지 ΔGH의 영향을받습니다. 표면 결합이 너무 약하면 흡착 단계가 전체 반응 속도를 제한합니다. 표면 결합에 대한 수소가 너무 강하면 반응-탈착 단계가 전체 반응 속도를 제한합니다. 최적의 HER 촉매는 ΔGH = 0에 가까운 수소 흡착 에너지를 가지며, 수소를 너무 약하게도 너무 강하게 결합하지도 않습니다. 이 원리는 그림 1의 "화산"관계를 발생시켜 HER 교환을 보여줍니다. ΔGH의 함수로서 전류 (촉매 활성 측정). HER의 속도를 최대화하려면 적절한 표면 특성을 가진 촉매를 사용해야합니다. 백금, 니켈 합금, 금속 산화물, 금속 인화물 및 금속 황화물과 같은 귀금속을 포함하여 여러 종류의 물질이 활성 HER 촉매로 조사되었습니다. 이러한 노력의 대부분은 이전에 검토되었습니다. MoS2는 윤활제, 2D 트랜지스터, 및 수소화 탈황 촉매로 활용 될 수 있는 많은 흥미로운 특성을 가지고 있지만 이번 리뷰에서는 HER 촉매로서 MoS2에 초점을 맞출 것입니다. 흥미롭게도, Tributsch와 다른 사람들에 의한 벌크 MoS2 결정의 전기 화학에 대한 초기 연구는 이 물질이 활성 HER 촉매가 아니라는 것을 시사했지만, 나노 구조화 MoS2 물질이 HER 활성을 크게 향상시킬 수 있다는 연구 결과가 밝혀지면서 관심이 되살아났습니다. 벌크 MoS2는 흑연과 유사한 육각형으로 패킹 된 층 구조로 그림 2와 같이 6.5Å van der Waals 간격이 각 시트를 분리합니다. 이 결정 구조의 결과로 MoS2는 다양한 표면을 가지고 있습니다. 사이트와 전자 및 정공 이동성은 시트 사이의 수직보다 기저면을 따라 약 2200 배 더 빠릅니다. 벌크 MoS2의 표면은 주로 촉매 적으로 불활성인 열역학적으로 선호되는 기저면 사이트로 구성됩니다. 대조적으로, MoS2 층의 가장자리는 HER에 대해 높은 활성을 갖는다. 활성, 안정성, 선택성, 비용 및 광학적 또는 기계적 특성을 포함하여 특정 응용 분야에 대한 전기 촉매 재료의 효능을 평가하는 데 중요한 성능 특성이 많이 있습니다. 촉매 활성은 거의 항상 중요하지만 HER 촉매의 활성을 평가하는 보편적인 방법은 없습니다. 다양한 방법론이 문헌에 설명되어 있으며 이러한 전략 간의 차이로 인해 서로 다른 촉매를 비교하는 것이 어려울 수 있습니다. 또한 모든 활동 비교 접근 방식에는 장단점이 있으므로 주어진 시스템에 대한 관련 성능 메트릭을 기반으로 적절한 전략을 선택하는 것이 중요합니다. . 이 섹션에서는 먼저 HER 전기 촉매 활성을 측정하는 데 사용되는 표준 방법론을 간략하게 검토합니다. 그런 다음, 황화 몰리브덴 HER 촉매를 비교하기 위한 공정하고 유용한 프레임 워크를 제공하기 위해 특히 중요한 두 가지 활동 메트릭에 중점을 둡니다. 이 작업에서 관심 있는 활동 측정의 두 가지 주요 범주는 "전체 전극"활동 (즉, 기하학적 전극 면적 정규화 측정)과 "내재"활동 (즉, 사이트 별 회전율 주파수, TOF)입니다. 총 전극 활동 측정은 실제 장치 성능 비교에 유용하지만 전극 활동의 물리적 또는 화학적 기원을 나타내지 않기 때문에 새로운 촉매 물질에 대한 기초 연구에는 적합하지 않습니다. 고유 활성도 측정은 사이트 별 촉매 활성을 제공하므로 촉매 개발을 안내하는 데 필요한 분자 수준 구조-특성-기능 관계에 기여합니다. 그림 3에서 볼 수 있듯이, HER 촉매의 총 전극 활성은 활성 부위의 수와 각 부위의 고유 활성 (전환 빈도)의 곱에 의해 결정되기 때문에 이 두 종류의 활동 측정은 근본적으로 관련이 있습니다. 내재적 활동 측정은 이 두 요소를 분리하여 더 많은 정보를 제공하지만 이러한 측정은 정확하게 수행하기 어려울 수 있습니다.