ПРАЦІ НАУКОВОГО ТОВАРИСТВА ім. ШЕВЧЕНКА

Хімічні науки

Архів / Том LXX 2022

Денис МАЗУР, Ярослав КУРИСЬ, Вячеслав КОШЕЧКО, Віталій ПОХОДЕНКО

Інститут фізичної хімії ім. Л.В. Писаржевського НАН України, просп. Науки, 31, 03028 Київ, Україна
e-mail: mazur.denis.olegovich@gmail.com

DOI: https://doi.org/10.37827/ntsh.chem.2022.77.007

ЕФЕКТИВНИЙ ЕЛЕКТРОКАТАЛІЗАТОР ВИДІЛЕННЯ ВОДНЮ З ВОДИ НА ОСНОВІ ДОПОВАНИХ ВАНАДІЄМ Mo2C, Mo2N ТА ВІДНОВЛЕНОГО ОКСИДУ ГРАФЕНУ

Виявлено можливість отримання перспективного гібридного електрокаталізатора реакції виділення водню (РВВ) на основі ванадій-допованих Mo2C, Mo2N та N,P-до¬по-ваного відновленого оксиду графену (rGO) – V-Mo2C,Mo2N/N,P-rGO – шляхом високотемпературної обробки в інертній атмосфері композита-попередника на основі полі-5-аміноіндолу, H4PVMo11O40 та rGO. З’ясовано, що одночасна присут-ність у каталізаторі фаз Mo2C і Mo2N зумовлює підвищення активності V-Mo2C,Mo2N/N,P-rGO у РВВ в електролітах з різним pH порівняно з аналогом, який містить лише фазу Mo2C (V-Mo2C/N,P-rGO), що виявляється у зменшенні перенапруги виділення водню за густини струму 10 мА/см2 (на 15–29 мВ), збільшенні величини струмів обміну (у ~2,3–2,7 разів), а також у анодному зміщенні потенціалу початку процесу та зниженні нахилу Тафеля (у лужному електроліті).

Ключові слова: нанокомпозиційний електрокаталізатор, реакція виділення водню, Mo2C, Mo2N, допування ванадієм.

Література:

    1. Turner J.A. Sustainable hydrogen production. Science. 2004. Vol. 305(5686). P. 972–974. (https://doi.org/10.1126/science.1103197).
    2. Wang M., Wang Z., Gong X., Guo Z. The intensification technologies to water electrolysis for hydrogen production - A review. Renewable Sustainable Energy Rev. 2014. Vol. 29. P. 573–588. (https://doi.org/10.1016/j.rser.2013.08.090).
    3. Shao M., Chang Q., Dodelet J.-P., Chenitz R. Recent Advances in Electrocatalysts for Oxygen Reduction Reaction. Chem. Rev. 2016. Vol. 116(6). P. 3594–3657. (https://doi.org/10.1021/acs.chemrev.5b00462).
    4. Ma F.-X., Wu H. Bin, Xia B.Y., Xu C.-Y., Lou X.W.D. Hierarchical β-Mo2C Nanotubes Organized by Ultrathin Nanosheets as a Highly Efficient Electrocatalyst for Hydrogen Production. Angew. Chemie Int. Ed. 2015. Vol. 54(51). P. 15395–15399. (https://doi.org/10.1002/anie.201508715).
    5. Chi J.Q., Gao W.K., Lin J.H., Dong B., Yan K.L., Qin J.F., Liu Z.Z., Chai Y.M., Liu C.G. Nitrogen, phosphorus dual-doped molybdenum-carbide/molybdenum-phosphide-@-carbon nanospheres for efficient hydrogen evolution over the whole pH range. J. Colloid Interface Sci. 2018. Vol. 513. P. 151–160. (https://doi.org/10.1016/j.jcis.2017.11.023).
    6. Guo J., Wang J., Wu Z., Lei W., Zhu J., Xia K., Wang D. Controllable synthesis of molybdenum-based electrocatalysts for a hydrogen evolution reaction. J. Mater. Chem. A. 2017. Vol. 5(10). P. 4879–4885. (https://doi.org/10.1039/c6ta10758c).
    7. Zhang X., Zhou F., Pan W., Liang Y., Wang R. General Construction of Molybdenum-Based Nanowire Arrays for pH-Universal Hydrogen Evolution Electrocatalysis. Adv. Funct. Mater. 2018. Vol. 28 (43). P. 1804600. (https://doi.org/10.1002/adfm.201804600).
    8. Benck J.D., Hellstern T.R., Kibsgaard J., Chakthranont P., Jaramillo T.F. Catalyzing the hydrogen evolution reaction (HER) with molybdenum sulfide nanomaterials. ACS Catal. 2014. Vol. 4(11). P. 3957–3971. (https://doi.org/10.1021/cs500923c).
    9. Zhang L., Sun L., Huang Y., Sun Y., Hu T., Xu K., Ma F. Hydrothermal synthesis of N-doped RGO/MoSe2 composites and enhanced electro-catalytic hydrogen evolution. J. Mater. Sci. 2017. Vol. 52(23). P. 13561–13571. (https://doi.org/10.1007/s10853-017-1417-7).
    10. Shi Y., Zhang B. Engineering transition metal phosphide nanomaterials as highly active electrocatalysts for water splitting. Dalt. Trans. 2017. Vol. 46(48). P. 16770–16773.(https://doi.org/10.1039/C7DT03648E).
    11. Ge Z., Fu B., Zhao J., Li X., Ma B., Chen Y. A review of the electrocatalysts on hydrogen evolution reaction with an emphasis on Fe, Co and Ni-based phosphides. J. Mater. Sci. 2020. Vol. 55(29). P. 14081–14104.(https://doi.org/10.1007/s10853-020-05010-w).
    12. Zhou W., Jia J., Lu J., Yang L., Hou D., Li G., Chen S. Recent developments of carbon-based electrocatalysts for hydrogen evolution reaction. Nano Energy. 2016. Vol. 28 P. 29–43. (https://doi.org/10.1016/j.nanoen.2016.08.027).
    13. Li J. Sen, Wang Y., Liu C.H., Li S.L., Wang Y.G., Dong L.Z., Dai Z.H., Li Y.F., Lan Y.Q. Coupled molybdenum carbide and reduced graphene oxide electrocatalysts for efficient hydrogen evolution. Nat. Commun. 2016. Vol. 7(1). P. 1–8. (https://doi.org/10.1038/ncomms11204).
    14. Guo J., Zhang K., Sun Y., Zong Y., Guo Z., Liu Q., Zhang X., Xia Y. Enhanced hydrogen evolution of MoS2/RGO: vanadium, nitrogen dopants triggered new active sites and expanded interlayer. Inorg. Chem. Front. 2018. Vol. 5(9). P. 2092–2099. (https://doi.org/10.1039/C8QI00488A).
    15. Wen L., Yu J., Xing C., Liu D., Lyu X., Cai W., Li X. Flexible vanadium-doped Ni2P nanosheet arrays grown on carbon cloth for an efficient hydrogen evolution reaction. Nanoscale. 2019. Vol. 11(10). P. 4198–4203. (https://doi.org/10.1039/C8NR10167A).
    16. Jiang A., Zhang B., Li Z., Jin G., Hao J. Vanadium-Doped WS 2 Nanosheets Grown on Carbon Cloth as a Highly Efficient Electrocatalyst for the Hydrogen Evolution Reaction. Chem. – An Asian J. 2018. Vol. 13(11). P. 1438–1446. (https://doi.org/10.1002/asia.201800003).
    17. Guo J., Zhang K., Sun Y., Liu Q., Tang L., Zhang X. Efficient bifunctional vanadium-doped Ni3S2 nanorod array for overall water splitting. Inorg. Chem. Front. 2019. Vol. 6(2). P. 443–450. (https://doi.org/10.1039/c8qi01104d).
    18. Bao J., Wang Z., Xie J., Xu L., Lei F., Guan M., Zhao Y., Huang Y., Li H. A ternary cobalt–molybdenum–vanadium layered double hydroxide nanosheet array as an efficient bifunctional electrocatalyst for overall water splitting. Chem. Commun. 2019. Vol. 55(24). P. 3521–3524. (https://doi.org/10.1039/C9CC00269C).
    19. Chandrasekaran S., Zhang P., Peng F., Bowen C., Huo J., Deng L. Tailoring the geometric and electronic structure of tungsten oxide with manganese or vanadium doping toward highly efficient electrochemical and photoelectrochemical water splitting. J. Mater. Chem. A. 2019. Vol. 7(11). P. 6161–6172. (https://doi.org/10.1039/C8TA12238E).
    20. Mazur D.O., Kurys Y.I., Koshechko V.G., Pokhodenko V.D. Influence of Vanadium Doping on the Activity of Nanocomposite Electrocatalysts Based on Molybdenum Carbide and Reduced Graphene Oxide in the Process of Hydrogen Evolution from Water. Theor. Exp. Chem. 2022. Vol. 57(6). P. 421–428. (https://doi.org/10.1007/s11237-022-09711-y).
    21. Kurys Y.I., Mazur D.O., Koshechko V.G., Pokhodenko V.D. Nanocomposite Based on N,P-Doped Reduced Graphene Oxide, Mo2C, and Mo2N as Efficient Electrocatalyst for Hydrogen Evolution in a Wide pH Range. Electrocatalysis. 2021. Vol. 12(5). P. 469–477. (https://doi.org/10.1007/s12678-021-00667-6).
    22. Kern F., Ruf S., Emig G. Vapour-phase trimerization of formaldehyde to trioxane catalysed by 1-vanado-11-molybdophosphoric acid. Appl. Catal. A Gen. 1997. Vol. 150(1). P. 143–151. (https://doi.org/10.1016/S0926-860X(96)00286-4).
    23. Kovtyukhova N.I. Layer-by-layer assembly of ultrathin composite films from micron-sized graphite oxide sheets and polycations. Chem. Mater. 1999. Vol. 11(3). P. 771–778. (https://doi.org/10.1021/cm981085u).
    24. Song I.K., Barteau M.A. Redox properties of Keggin-type heteropolyacid (HPA) catalysts: effect of counter-cation, heteroatom, and polyatom substitution. J. Mol. Catal. A Chem. 2004. Vol. 212(1–2). P. 229–236. (https://doi.org/10.1016/j.molcata.2003.10.040).
    25. Xu L.Q., Liu Y.L., Neoh K., Kang E., Fu G.D. Reduction of graphene oxide by aniline with its concomitant oxidative polymerization. Macromol. Rapid Commun. 2011. Vol. 32(8). P. 684–688. (https://doi.org/https://doi.org/10.1002/marc.201000765).
    26. Wang H.M., Wang X.H., Zhang M.H., Du X.Y., Li W., Tao K.Y. Synthesis of bulk and supported molybdenum carbide by a single-step thermal carburization method. Chem. Mater. 2007. Vol. 19(7). P. 1801–1807. (https://doi.org/10.1021/cm0615471).
    27. Chen X., Qi J., Wang P., Li C., Chen X., Liang C. Polyvinyl alcohol protected Mo2C/Mo2N multicomponent electrocatalysts with controlled morphology for hydrogen evolution reaction in acid and alkaline medium. Electrochim. Acta. 2018. Vol. 273 P. 239–247. (https://doi.org/10.1016/j.electacta.2018.04.033).
    28. Yan H., Xie Y., Jiao Y., Wu A., Tian C., Zhang X., Wang L., Fu H. Holey Reduced Graphene Oxide Coupled with an Mo2N-Mo2C Heterojunction for Efficient Hydrogen Evolution. Adv. Mater. 2018. Vol. 30(2). P. 1704156. (https://doi.org/10.1002/adma.201704156).
    29. Chen W.F., Iyer S., Iyer S., Sasaki K., Wang C.H., Zhu Y., Muckerman J.T., Fujita E. Biomass-derived electrocatalytic composites for hydrogen evolution. Energy Environ. Sci. 2013. Vol. 6(6). P. 1818–1826. (https://doi.org/10.1039/c3ee40596f).

МАЗУР Д., КУРИСЬ Я., КОШЕЧКО В., ПОХОДЕНКО В. ЕФЕКТИВНИЙ ЕЛЕКТРОКАТАЛІЗАТОР ВИДІЛЕННЯ ВОДНЮ З ВОДИ НА ОСНОВІ ДОПОВАНИХ ВАНАДІЄМ Mo2C, Mo2N ТА ВІДНОВЛЕНОГО ОКСИДУ ГРАФЕНУ. Праці НТШ. Хім. Наук. 2022 Vol. LXX. P. 7-15.

Завантажити файл