Phase Evolution of Re1–xMoxSe2 Alloy Nanosheets and Their Enhanced Catalytic Activity toward Hydrogen Evolution Reaction

材料科学 合金 催化作用 相(物质) 结晶学 X射线晶体学 化学工程 物理化学 化学 衍射 冶金 物理 工程类 有机化学 光学 生物化学
作者
In Hye Kwak,Ik Seon Kwon,Tekalign Terfa Debela,Hafiz Ghulam Abbas,Yun Chang Park,Jaemin Seo,Jae‐Pyoung Ahn,Jong Hyun Lee,Jeunghee Park,Hong Seok Kang
出处
期刊:ACS Nano [American Chemical Society]
卷期号:14 (9): 11995-12005 被引量:79
标识
DOI:10.1021/acsnano.0c05159
摘要

Two-dimensional ReSe2 has emerged as a promising electrocatalyst for the hydrogen evolution reaction (HER), but its catalytic activity needs to be further improved. Herein, we synthesized Re1–xMoxSe2 alloy nanosheets with the whole range of x (0–100%) using a hydrothermal reaction. The phase evolved in the order of 1T″ (triclinic) → 1T′ (monoclinic) → 2H (hexagonal) upon increasing x. In the nanosheets with x = 10%, the substitutional Mo atoms tended to aggregate in the 1T″ ReSe2 phase with Se vacancies. The incorporation of the 1T′ phase makes the alloy nanosheets more metallic than the end compositions. The 10% Mo substitution significantly enhanced the electrocatalytic performance toward HER (in 0.5 M H2SO4), with a current of 10 mA cm–2 at an overpotential of 77 mV (vs RHE) and a Tafel slope of 42 mV dec–1. First-principles calculations of the three phases (1T″, 2H, and 1T′) predicted a phase transition of 1T″-2H at x ≈ 65% as well as the production of a 1T′ phase along the composition tuning, which are consistent with the experiments. At x = 12.5%, two Mo atoms prefer to form a pair along the Re4 chains. Gibbs free energy along the reaction path indicates that the best HER performance of nanosheets with 10% Mo originates from the Mo atoms that form Mo–H when there are adjacent Se vacancies.
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