Energy Level Engineering of MoS2 by Transition-Metal Doping for Accelerating Hydrogen Evolution Reaction

化学 催化作用 过渡金属 兴奋剂 氢燃料 纳米技术 金属 化学物理 工程物理 凝聚态物理 材料科学 物理化学 物理 工程类 有机化学
作者
Yi Shi,Yue Zhou,Dong‐Rui Yang,Weixuan Xu,Chen Wang,Feng‐Bin Wang,Jing‐Juan Xu,Xing‐Hua Xia,Hong‐Yuan Chen
出处
期刊:Journal of the American Chemical Society [American Chemical Society]
卷期号:139 (43): 15479-15485 被引量:797
标识
DOI:10.1021/jacs.7b08881
摘要

Water-splitting devices for hydrogen generation through electrolysis (hydrogen evolution reaction, HER) hold great promise for clean energy. However, their practical application relies on the development of inexpensive and efficient catalysts to replace precious platinum catalysts. We previously reported that HER can be largely enhanced through finely tuning the energy level of molybdenum sulfide (MoS2) by hot electron injection from plasmonic gold nanoparticles. Under this inspiration, herein, we propose a strategy to improve the HER performance of MoS2 by engineering its energy level via direct transition-metal doping. We find that zinc-doped MoS2 (Zn-MoS2) exhibits superior electrochemical activity toward HER as evidenced by the positively shifted onset potential to -0.13 V vs RHE. A turnover of 15.44 s-1 at 300 mV overpotential is achieved, which by far exceeds the activity of MoS2 catalysts reported. The large enhancement can be attributed to the synergistic effect of electronic effect (energy level matching) and morphological effect (rich active sites) via thermodynamic and kinetic acceleration, respectively. This design opens up further opportunities for improving electrocatalysts by incorporating promoters, which broadens the understanding toward the optimization of electrocatalytic activity of these unique materials.
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