Cristallisation en fonction de la température de nanoflocons de MoS2 sur des nanofeuillets de graphène pour l'électrocatalyse

Contexte

Les matériaux hybrides bidimensionnels (2D) ont été étudiés pour une utilisation dans le photovoltaïque, la séparation de l'eau, les capteurs, les batteries et de nombreuses autres applications, souvent sous la forme d'hétérojonctions ou de structures tridimensionnelles (3D) [1,2,3,4 ,5,6]. Bénéficiant de leurs structures 2D uniques et de leurs bandes interdites accordables, les matériaux hybrides 2D peuvent offrir à la fois une surface spécifique élevée et une fonction de travail appropriée [1, 7,8,9,10]. Pour la plupart des applications électrochimiques, telles que les cellules solaires à colorant (DSSC) et la réaction d'évolution d'hydrogène (HER), la conductivité électronique élevée et la forte réactivité redox des hybrides dichalcogénures de métaux de transition (TMD)/graphène sont extrêmement attrayantes. Dans ces hybrides, les nanofeuillets de graphène possèdent une conductivité électronique et une résistance mécanique élevées [11, 12] et servent de centres de croissance pour les nanofeuillets TMD. Des études antérieures ont montré que les structures hybrides offrent une activité catalytique améliorée avec des sites plus actifs [13].

Par rapport aux matériaux catalytiques traditionnels à base de platine (Pt), les matériaux hybrides 2D offrent des performances comparables et un coût de production bien inférieur, démontrant ainsi leur grand potentiel de remplacement du Pt à des fins commerciales. Jusqu'à présent, le MoS₂ L'hybride /graphène a été étudié comme l'une des options les plus prometteuses en raison de son excellente activité électrocatalytique et de sa structure 2D unique [3, 14, 15]. Il est bien connu qu'une mauvaise conductivité intrinsèque limite les performances électrocatalytiques globales du MoS pur₂ [16, 17] et que la réactivité du graphène pur est relativement faible [18,19,20]. Le MoS₂ L'hybride /graphène combine les avantages de la réactivité et de la conductivité des deux matériaux constitutifs, conduisant ainsi à des performances électrocatalytiques considérablement améliorées [21, 22]. Dans un processus hydrothermal, les nanofeuillets de graphène servent également de noyau de cristallisation pour le MoS₂ formation pour améliorer le taux de production [23,24,25,26,27]. Étant donné que la composition et la structure des catalyseurs affectent la réactivité du matériau, il est important de créer des sites plus actifs et de maintenir une conductivité élevée lors de la conception d'un hybride. En choisissant des méthodes appropriées pour régler la liaison entre les deux structures de composants, les performances catalytiques résultantes peuvent être optimisées davantage.

Pour créer l'hybride, de nombreuses approches ont été explorées et leurs avantages ont été comparés. Le groupe de Dai a préparé l'hétérojonction de MoS₂ et le graphène à travers une réaction hydrothermale dans des solvants organiques et a exploré la cinétique des réactions catalytiques [12]. Zhang et al. étude de la croissance contrôlée du dépôt chimique en phase vapeur de MoS₂ sur le graphène et a mis en évidence l'effet du facteur de couverture [28]. Ces dernières années, les méthodes hydrothermales ont été largement étudiées en tant que voie à faible coût et à haut débit pour la fabrication de MoS₂ /hybrides de graphène [12, 26, 29, 30, 31, 32]. Des recherches antérieures ont rapporté que la cristallisation du MoS pur₂ pourrait changer de manière significative avec différentes températures de réaction, avec MoS amorphe₂ nanosphères à basse température (120–150 °C), MoS en forme de fleur₂ billes avec des performances catalytiques élevées à des températures moyennes (160–240 °C) et un grand MoS₂ nanoparticules à haute température (230-260 °C) [33, 34]. Cependant, lorsque le germe de cristallisation se transforme en graphène, la condition de cristallisation de MoS₂ n'est pas bien compris, et donc une meilleure compréhension de la condition de cristallisation est essentielle pour optimiser l'activité catalytique du matériau. Dans ce travail, nous rapportons une méthode hydrothermale facile pour préparer MoS₂ des nanoflocons cultivés sur des nanofeuillets de graphène à différentes températures moyennes. MoS₂ la cristallisation sur des nanofeuillets de graphène peut être clairement identifiée par diverses méthodes de caractérisation des cristaux, et les effets de la cristallisation sur les performances catalytiques résultantes sont étudiés par les performances DSSC et la réactivité HER.

Méthodes

Préparation et caractérisation des matériaux

Divers MoS₂ Les hybrides /graphène ont été préparés par la méthode hydrothermale (détails dans les informations complémentaires). Tout d'abord, des nanofeuilles d'oxyde de graphène exfoliées aux micro-ondes (MEGO) ont été préparées à partir d'oxyde de graphite dans un environnement d'argon avec une exposition à des micro-ondes de 900 W pendant 90 s [35] ; ce processus a également réduit l'oxyde de graphène [25]. Ensuite, 2,8 mg de MEGO ont été dispersés dans 20 mL d'eau DI par ultrasons, suivis de la dissolution séquentielle de 42 mg de molybdate de sodium dihydraté et de 84 mg de thiourée. Un excès de thiourée a été ajouté à la solution pour réduire davantage MEGO [3]. La suspension a ensuite été transférée dans des autoclaves de 50 mL pour des réactions hydrothermales à des températures de 150 °C (MG-150), 180 °C (MG-180), 210 °C (MG-210) et 240 °C (MG-240° ) pendant 24 h. Enfin, les solides obtenus ont été séparés, lavés et séchés sous vide à 70 °C pendant une nuit.

La structure des matériaux préparés a été étudiée avec un microscope électronique à balayage à émission de champ (FE-SEM) Hitachi (S-4800). Les données cartographiques de spectroscopie à rayons X à dispersion d'énergie (EDS) ont été obtenues à l'aide d'un détecteur Bruker sur un Hitachi S-4800. Un système Hitachi (H 9000 NAR) a été utilisé pour prendre un microscope électronique à transmission/microscope électronique à transmission haute résolution (TEM/HRTEM) et pour étudier la jonction hybride du MoS₂ /hybride de graphène préparé à 180 °C. La diffraction des rayons X (XRD) a été réalisée à l'aide d'un diffractomètre à rayons X Bruker D8 Discover. La spectroscopie Raman a été prise avec un spectromètre Renishaw Raman (Inc 1000B) avec un laser HeNe (633 nm). La spectroscopie photoélectronique à rayons X (XPS) a été étudiée via VG ESCA 2000 avec Mg, Kα comme source de rayons X, et les pics sont calibrés avec des pics C1s à 284,6 eV.

Fabrication et tests DSSC

Tout d'abord, les verres FTO ont été nettoyés séquentiellement avec de l'acétone, de l'alcool isopropylique et de l'eau DI. Suite à des publications antérieures [36], un TiO₂ une structure de nanoparticules a été formée, par raclage d'un TiO₂ commercial pâte et chauffer progressivement à 500 °C en 30 min. Après les traitements, les substrats ont été transférés dans une solution d'éthanol N719 0,5 mM et ont été trempés pendant 24 h. Les contre-électrodes ont également été fabriquées par raclage. La suspension contient 20 mg d'échantillon et 5 μL de Triton × 100 dans 500 μL d'eau DI. Après revêtement, les électrodes ont été recuites à 500 °C pendant 30 min dans un environnement d'argon. Des contre-électrodes à base de Pt ont été fabriquées par aubage 0,01 M H₂ PtCl₆ solution d'éthanol avec les mêmes étapes. Pour assembler la cellule, les contre-électrodes et les photoanodes préparées ont été scellées avec un film d'étanchéité thermoplastique commercial, puis un électrolyte commercial a été injecté dans la cellule.

La caractérisation J-V a été réalisée sous une illumination solaire simulée (AM 1.5G, 100 mW/cm ² , Newport, 94021A) avec un compteur source Keithley 2420. Le système a été calibré avec une cellule de référence Si (Oriel, P/N 91150V). La spectroscopie d'impédance électrochimique (EIS) des DSSC a été testée à une fréquence de 0,1 à 10 000 Hz, sous un seul éclairage solaire. Le potentiel a été fixé à 0,7 V, ce qui correspond à peu près à la tension moyenne en circuit ouvert. Les données ont été enregistrées par une station de travail électrochimique CHI 760D.

Mesures électrochimiques

Une électrode de référence Ag/AgCl saturée a été utilisée dans toutes les mesures et a été convertie à l'échelle de l'électrode à hydrogène réversible (RHE) via l'équation de Nernst. Toutes les mesures ont été effectuées dans 0,5 M H₂ SO₄ solution aqueuse à l'aide d'une station de travail électrochimique CHI 760D. Les tests ont été effectués dans une cellule en verre standard à trois électrodes, avec le fil de Pt comme contre-électrode et l'électrode en carbone vitreux (GCE). Pour fabriquer des GCE, 5 mg de matériau ont été mélangés avec 50 μL de solution d'éthanol Nafion (5 %) et 450 μL d'eau DI. Le mélange a été bien dispersé et une suspension de 5 μL a été déposée sur une électrode de carbone vitreuse d'un diamètre de 3 mm, puis complètement séchée.

La voltamétrie à balayage linéaire (LSV) a été testée de 0,2 à -0,8 V (vs Ag/AgCl) à 5 mV/s ; plus tard, le graphique de Tafel a été calculé à partir du LSV. La voltampérométrie cyclique (CV) a été balayée entre -1 V et 1 V (vs Ag/AgCl) à 0,05 V/s. La spectroscopie d'impédance électrochimique a été mesurée à une fréquence allant de 0,1 à 10 000 Hz à un potentiel constant de 0,5 mV (vs Ag/AgCl). La stabilité a été évaluée pendant 20 000 s à un potentiel constant de -0,5 V (vs Ag/AgCl).

Résultats et discussion

La figure 1a–h montre des images FE-SEM du MoS₂ structure développée sur la surface du graphène. Le MoS₂ en forme de fleur, orienté perpendiculairement des nanoflocons ont été observés à toutes les températures et la couverture uniforme a été prouvée par EDS (Informations à l'appui, fichier supplémentaire 1 :Figure S1). Comme le montre la Fig. 1 a–d, la taille de MoS₂ les nanoflocons ont grossi avec l'augmentation de la température de synthèse. Observé sous un faible grossissement comme le montre la Fig. 1e–h, la couverture de MoS₂ Les nanoflocons sont nettement plus gros, car l'hybride MG-240 a commencé à perdre la caractéristique couche par couche et a commencé à former les nanoparticules, tandis que l'hybride MG-210 a maintenu de manière lâche la structure en couches. Des études antérieures ont montré que les bords des nanofeuilles sont des sites actifs pour les réactions catalytiques, suggérant que les bords, les défauts et les plis sont responsables des performances catalytiques élevées. Par conséquent, la morphologie hautement ramifiée est préférée pour la plupart des applications catalytiques [2, 37].

Morphologie de MoS_2/ hybrides de graphène. Images SEM de MoS_2/ hybrides de graphène à 150 °C (a , e ), 180 °C (b , f ), 210 °C (c , g ), 240 °C (d , h ), et des images TEM et HRTEM du MoS₂ /Graphène hybride à 180 °C (i , j ). L'encart de (j ) est le motif SAED correspondant marqué par le cercle en pointillé. Les informations sur le réseau sont marquées en (j )

Pour mieux comprendre MoS₂ /des hybrides de graphène, des images TEM et HRTEM ont été obtenues et analysées. Utilisation d'un échantillon hybride MG-180 pour étudier sa structure de branche, une structure laminaire de MoS₂ (traversant des bandes noires) chargées à la surface du graphène (une zone grise plate) a été observée, comme le montre la figure 1i. En zoomant au centre de la figure 1i, deux types différents de cristaux sont clairement observés dans l'image HRTEM par leurs espacements de réseau significativement différents (Fig. 1j). L'espacement du réseau de 0,65 nm correspond bien à celui de MoS₂ dans la face du cristal 2H (002), et l'espacement du réseau de 0,23 nm est proche de celui de l'écart de chaîne en zigzag dans une nanofeuillet de graphène monocouche [38]. Le MoS à quelques couches₂ les nanofeuillets se sont croisés dans la petite zone, représentant la formation de petits nanoflocons et la création de bords et de défauts. La couture sans couture de la nanofeuille de graphène à MoS₂ Les nanofeuillets, marqués par le cercle en pointillés sur la figure 1j, ont également été étudiés par diffraction électronique à zone sélectionnée (SAED). Plusieurs anneaux de diffraction peuvent être bien indexés sur les plans de 2H-MoS2, avec la diffraction du graphène à peine montrée en raison de la petite fraction de graphène et du fort fond de carbone amorphe. Le contact intime des deux types de cristaux suggère un transfert d'électrons efficace au sein de l'hybride. Une comparaison des images HRTEM et SAED des quatre hybrides est également présentée dans le fichier supplémentaire 1 :Figure S2. La cristallisation s'améliore considérablement avec l'augmentation de la température.

Pour mieux comprendre le changement de cristallisation à différentes températures de réaction, les spectres XRD et Raman du MoS₂ Des hybrides /graphène (Fig. 2) ont été étudiés. Dans l'ensemble, les hybrides tels que préparés ont montré un 2H-MoS₂ phase. Le modèle XRD plat de 10 ^o à 35 ^o de MEGO a été causée par l'empilement de nanofeuilles pendant le stockage. Pour le MG-150, MoS₂ les pics n'étaient pas clairement visibles en raison de la quantité limitée de formation de cristaux sur les nanofeuillets de graphène. Lorsque la température augmentait, les pics XRD se sont accentués et un petit décalage d'angle a été observé entre 30 ^o et 55 ^o . Les pics de l'hybride MG-180 se distinguent par les pics faibles pour (103) et (105) de la phase 2H, le pic élargi et décalé (100) et, surtout, un pic supplémentaire (006 + 104). Le réarrangement dans les cristaux indique l'existence possible d'une phase 1 T [39]. Les signaux faibles du MG-150 suggéraient une mauvaise qualité de cristallisation et la présence de défauts riches. Des tendances similaires peuvent également être observées par les spectres Raman (Fig. 2b) avec un laser hélium-néon excité à 633 nm. Les MG-150 et MG-180 présentaient tous deux un MoS₂ extrêmement faible Signatures Raman, qui suggèrent une mauvaise qualité de cristallisation. L'intensité de A_1g , E_2g ¹ , et E_1g les pics augmentent avec l'augmentation de la température. De plus, le mode phonon Mo-S hors plan (A_1g ) est préférentiellement excité pour l'orientation perpendiculaire à l'arête terminale de MoS₂ nanofeuillets, et la forte intensité de A_1g montré dans les hybrides MG-210 et MG-240 indique la structure orientée perpendiculairement formée sur des nanofeuillets de graphène [2]. Les pics C proviennent du mode acoustique longitudinal de second ordre au point M (2LA(M)) du MoS₂ Zone de Brillouin, qui indique une meilleure qualité de cristallisation à haute température [40]. Une autre observation intéressante est l'augmentation de l'intensité de la bande D à G (I_D /I_G ) de graphène avec des températures croissantes, comme le montre la figure 2b. Cela indique une interaction van der Waals plus forte entre MoS₂ nanofeuillets et nanofeuillets de graphène, qui ont amélioré le mode de respiration de l'anneau hexagonal de graphène.

Comparaison de cristallisation de MoS₂ /hybrides de graphène. un Spectres XRD de MoS₂ /hybrides de graphène préparés à 150, 180, 210 et 240 °C par rapport à MEGO, (b ) Spectres Raman de MoS₂ /hybrides de graphène et MEGO. Pics 2H de MoS₂ sont étiquetés dans les motifs

Une étude supplémentaire utilisant XPS (Fig. 3) a également prouvé l'amélioration de la qualité des cristaux et de la transition de phase avec l'augmentation de la température. Les pics de netteté de MG-150 à MG-240 indiquent que le cristal passe d'un état poly à un état cristallisé. En outre, un décalage progressif des pics Mo 3d peut être observé de MG-180 à MG-240, et l'énergie de liaison de MG-180 apparaît ~ 0,63 eV inférieure à celle de MG-240. Cela indique que la phase cristalline possible passe de 1 T à 2H de 180 °C à 240 °C [39, 41]. Un calcul perspicace de l'aire de pic des pics Mo 3D indique que les rapports molaires 2H à 1 T varient de 4,84:1 (MG-150) à 3,01:1 (MG-180) et 13,7:1 (MG-210). Pour le MG-240, aucun pic 1 T ne peut être déconvolué. Les positions des pics du MG-150 sont proches de celles du MG-210, ce qui peut s'expliquer par les pics larges avec plus de défauts de réseau, et la structure peu organisée joue un rôle plus important. Sur la base des données XRD et Raman, la qualité de la cristallisation et la transition de phase sont deux effets notables de la variation de température dans la préparation hydrothermale du MoS₂ /hybrides de graphène.

Analyse de liaison de MoS₂ /hybrides de graphène. Spectres XPS de MoS₂ /hybrides de graphène préparés à 150, 180, 210 et 240 °C, avec (a ) focalise les orbites Mo 3d et (b ) montre les orbites S 2p

Des études antérieures ont indiqué que des défauts dans les cristaux peuvent augmenter la vitesse de réaction catalytique et une phase 1 T de MoS₂ est toujours préféré. Cependant, une qualité de cristal significativement inférieure conduit à un transfert de charge plus médiocre et à des performances catalytiques inférieures [17, 42]. Il est nécessaire de déterminer une température optimale pour équilibrer ces facteurs. Phase supplémentaire 1T de MoS₂ est connu pour montrer une stabilité limitée dans l'environnement ambiant [39, 41, 43], de sorte que sa fraction dans les hybrides est inférieure à la phase 2H pour différentes températures de préparation grâce aux calculs XPS. En optimisant la température, une fraction optimisée de la phase 1T peut être déterminée dans cette méthode hydrothermale facile. Des études antérieures ont également signalé le mécanisme de MoS₂ formation, et les analyses sont applicables ici [12, 44]. Premièrement, la thiourée se dissocie en groupes thiol libres et en groupes amino et réduit le Mo(IV) et réduit partiellement le GO. Deuxièmement, les radicaux libres adsorbés sur la surface GO réduite commencent à former du MoS₂ cristaux le long de la face (002) sur la base des résultats HRTEM ; les défauts se forment plus facilement à basse température en raison d'une cinétique chimique plus lente, qui expose le Mo ou le S vacant à l'environnement. Les calculs de la théorie fonctionnelle de la densité (DFT) montrent que les réactions de réduction ont tendance à se produire davantage le long des joints de grains Mo-Mo que des défauts ponctuels dans le réseau [45], et les joints de grains Mo-Mo sont plus abondants dans les hybrides riches en défauts préparés à basse température.

L'importance de la phase 1T du MoS₂ pour les réactions catalytiques a également été étudiée pour des cristaux 2D purs. Auparavant, les calculs DFT suggèrent le 1T-MoS₂ montre des propriétés métalliques et a une réactivité catalytique significativement plus élevée par rapport au semi-conducteur 2H-MoS₂ [39, 41, 46]. Des études indiquent également la forte dépendance de la formation cristalline à la température [47]. Pur 1T–MoS₂ les nanofeuillets sont toujours préparés par exfoliations chimiques par métal alcalin [39], pour obtenir un rapport de phase 1T plus élevé. Compte tenu des coûts et des stabilités de la phase 1T, les méthodes hydrothermales sont plus adaptées aux réactions catalytiques, qui nécessitent généralement environ 220 °C pour avoir la meilleure efficacité pour le MoS pur₂ [34]. MoS₂ / Les hybrides de graphène dans ce travail présentent des exigences de température inférieures à 180 °C, ce qui peut s'expliquer par le processus d'ensemencement plus rapide avec le graphène comme support et les alignements constants des cristaux pendant la cristallisation. Une étude de premier principe de MoS₂ L'hétérojonction /graphène montre que le travail de sortie du graphène (4,3 eV) correspond bien à la bande de conduction (4,2 eV) de la monocouche MoS₂ , et la densité de porteurs de charge calculée dans les hybrides MG est supérieure de plus de 3 ordres de grandeur à la valeur intrinsèque du graphène. De plus, les paires électron-trou sont bien séparées dans la structure, ce qui favorise une plus grande réactivité [21, 48, 49].

L'activité électrocatalytique du MoS₂ Les hybrides /graphène ont d'abord été étudiés dans les DSSC. Les DSSC ont une structure sandwich avec une couche semi-conductrice recouverte de matériau sensibilisant comme photoanode, une paire de redox comme électrolyte et un catalyseur réducteur comme contre-électrode [50]. Les DSSC ont une photoanode et une contre-électrode séparées, ce qui crée une opportunité de maximiser le catalyseur de la contre-électrode sans casser la chimie de la cellule. En appliquant le MoS₂ /Graphène hybride en tant que contre-électrode dans les DSSC, la conductivité et la réactivité catalytique liées à ses propriétés électrochimiques peuvent être directement caractérisées.

Dans ce travail, nous avons préparé du TiO₂ sensibilisé au N719 -à base de photoanode, I₃ ⁻ /I ⁻ électrolyte et MoS₂ Contre-électrodes hybrides /graphène pour les mesures DSSC, comme le montre la figure 4a. Les performances des cellules solaires sont résumées dans le tableau 1 et comparées à la figure 4b. Les hybrides MG-150 et MG-180 ont montré une réponse significativement améliorée par rapport aux hybrides obtenus à des températures plus élevées. Tous les catalyseurs maintenaient la tension en circuit ouvert (V _OC ) à environ 0,7 V, ce qui est proche de celui du catalyseur à base de Pt, tandis que le courant de court-circuit (i _sc ) est tombé à 8,47 mA/cm ² pour MG-210 et 7,71 mA/cm ² pour les hybrides MG-240. L'augmentation du facteur de remplissage (FF) pour les hybrides à haute température résulte de la plus faible i _sc et V _OC . Il est clair que i _sc est le facteur dominant pour l'efficacité qui dépend du transport de charge rapide dans les hybrides. En comparant les catalyseurs MG-150 et MG-180, l'hybride MG-180 a donné un i plus élevé _sc , qui suggère soit une meilleure conductivité, soit une réactivité plus élevée, et concorde bien avec la prédiction de transport de charge affaiblie par des défauts excessifs dans l'hybride MG-150. Les faibles performances de l'hybride MG-240 sont prévisibles en raison du sur-empilement de MoS₂ nanofeuillets, montrés dans les images SEM de la figure 1, qui limitent le transfert d'électrons entre le graphène et le MoS₂ cristaux. Une enquête plus approfondie sur la résistance grâce à l'analyse EIS (Fichier supplémentaire 1 :Figure S3) suggère la résistance de transfert de charge la plus faible du MG-180, ce qui correspond bien aux performances d'efficacité.

Schéma et performances DSSC. un Schéma du DSSC avec des hybrides tels que préparés comme catalyseur de contre-électrode. b Courbes J-V des DSSC avec MoS₂ /hybrides de graphène comme contre-électrode. La contre-électrode à base de Pt a montré les meilleures performances tandis que l'hybride à 180 °C était proche de celui avec un FF inférieur. V _OC a commencé à baisser lorsque la température de préparation a augmenté à 210 °C et 240 °C

Pour mieux comprendre les performances améliorées de l'hybride MG-180 dans les DSSC, la conductivité et la réactivité doivent être étudiées séparément. Pour étudier les propriétés électrochimiques, les hybrides MG-150, MG-180 et MG-210 ont été choisis pour mesurer les performances HER dans une configuration à trois électrodes. Tous les tests HER ont été opérés dans le 0,5 M H₂ SO₄ solution aqueuse en utilisant une électrode Ag/AgCl comme référence et un fil Pt comme contre-électrode. Les performances électrochimiques des échantillons ont été testées en fabriquant des électrodes en carbone vitreux d'un diamètre contrôlé de 3 mm, et les potentiels testés ont été convertis en RHE.

Les hybrides MG-150 et MG-180 ont donné des potentiels d'apparition très proches d'environ -176 et -179 mV, respectivement, et le MG-210 a montré un potentiel d'apparition d'environ -287 mV, estimé à partir de la région de faible densité de courant dans le LSV (Fig. 5a). La queue tremblante de l'hybride MG-180 à un potentiel inférieur a été causée par la génération et l'accumulation de bulles d'hydrogène, ce qui suggère les hautes performances du MoS₂ /Graphène hybride. Les graphiques de Tafel (Fig. 5b) de trois catalyseurs montrent une pente de 74,5 mV/décennie pour l'hybride MG-180, ce qui est bien inférieur à ceux des MG-150 et MG-210, indiquant une augmentation plus rapide du taux HER avec l'augmentation surpotentiels. Les meilleures performances de l'hybride MG-180 par rapport à l'hybride MG-150 expliquent l'importance d'une meilleure cristallisation pour le transfert de charge. Ceci peut être observé par l'analyse EIS (Fichier supplémentaire 1 :Figure S5). L'hybride MG-180 présentait un demi-cercle plus petit, indiquant un transfert de charge plus efficace entre le graphène et le MoS₂ . Pendant ce temps, l'impédance de l'hybride MG-180 a rapidement augmenté, présentant la possibilité d'une porosité plus élevée de la même masse de matériaux. Les tests de Brunauer-Emmett-Teller (BET) ont indiqué que le MG-180 a une surface spécifique de 73,5 m ² /g, par rapport à ceux du MG-150 (49,5 m ² /g) et MG-210 (73,4 m ² /g). Le résultat concorde bien avec les structures très ramifiées montrées dans les images SEM. La pente de Tafel de 137 mV/décade pour l'hybride MG-150 explique également son efficacité légèrement inférieure dans les DSSC. Les résultats CV (Fichier supplémentaire 1 :Figure S4) ont montré que l'hybride MG-180 a une plus grande différence de potentiel de réduction/oxydation et un courant de crête plus élevé, suggérant des sites plus actifs dans les hybrides MG-180 et une réactivité plus élevée dans les réactions électrochimiques.

SON comparaison de performances. un Courbes de polarisation après correction IR. b Tracés de Tafel correspondants de MoS₂ /hybrides de graphène préparés à 150, 180 et 210 °C, c Scan I-t du MG-180 pendant 20 000 s. d Comparaison des surtensions à 10 mA/cm ² pour MG-150, MG-180 et MG-210 avec Pt/C, MoS exfolié₂ , et MoS amorphe₂

Outre la réactivité HER de l'hybride MG-180, une performance stable a également été démontrée par un potentiel constant de -0,5 V pendant 20 000 s (Fig. 5c). Une comparaison des hybrides tels que préparés avec MoS exfolié₂ et MoS amorphe₂ la performance à la même densité de courant met en évidence la surperformance du MG-180 avec une surtension inférieure (Fig. 5d) [3, 51]. Par conséquent, 180 °C offre un équilibre préféré des sites de défauts actifs, phase 1T de MoS₂ et des structures ramifiées pour les activités catalytiques.

Conclusions

En résumé, la condition de cristallisation de MoS₂ Les hybrides /graphène ont été étudiés par des caractérisations de structure et des mesures de performance de DSSC et HER. Bénéficiant de l'excellente réactivité de MoS₂ et une conductivité élevée du graphène, les hybrides présentent des performances stables et améliorées par rapport à leurs constituants. Le MoS₂ dans l'hybride montre un changement de phase cristalline de 1T dans la région à basse température (inférieure à 180 °C) à 2H dans la région à haute température (au-dessus de 210 °C), ainsi qu'une amélioration de la qualité des cristaux et des sites de défauts réduits. L'existence de la phase 1T améliore la réactivité de réduction et la capacité de transfert de charge de l'hybride. Les sites de défauts contrôlés améliorent également la vitesse de réaction catalytique. La morphologie de MoS₂ sur le graphène est essentiel pour maintenir des performances catalytiques élevées et des structures orientées perpendiculairement en forme de fleur sont préférées. Ce travail fournit une ligne directrice et une compréhension fondamentales pour la conception et la construction rationnelles de matériaux hybrides 2D pour les applications électrocatalytiques.

Abréviations

2D :

Bidimensionnel

3D :

Tridimensionnel

PARI :

Brunauer-Emmett-Teller

CV :

Voltamétrie cyclique

DFT :

Théorie fonctionnelle de la densité

DSSC :

Cellule solaire à colorant

EDS :

Spectroscopie à rayons X à dispersion d'énergie

EIS :

Spectroscopie d'impédance électrochimique

FE-SEM :

Microscope électronique à balayage à émission de champ

FF :

Facteur de remplissage

GCE :

Electrode de carbone vitreux

ELLE :

Réaction de dégagement d'hydrogène

HRTEM :

Microscope électronique à transmission haute résolution

i_sc :

Courant de court-circuit

LSV :

Voltamétrie à balayage linéaire

MEGO :

Nanofeuillets d'oxyde de graphène exfoliés par micro-ondes

RHE :

Électrode à hydrogène réversible

SAED :

Diffraction électronique à zone sélectionnée

TEM :

Microscope électronique à transmission

TMD :

Dichalcogénure de métal de transition

V_OC :

Tension en circuit ouvert

XPS :

Spectroscopie photoélectronique aux rayons X

XRD :

Diffraction des rayons X