FeS結晶格子がナノ構造を促進し、WSナノシートの酸素発生反応に対する電極触媒性能を向上させる。

FeS crystal lattice promotes the nanostructure and enhances the electrocatalytic performance of WS nanosheets for the oxygen evolution reaction.

• Guoteng Zhang
• Zaitao Hao
• Jie Yin
• Chen Wang
• Jinghao Zhang
• Zhiyu Zhao
• Denghu Wei
• Huawei Zhou
• Zhongcheng Li

抄録

表面元素やナノ構造を制御することは、高性能な触媒を設計・合成するための有効な方法の一つです。本研究では、WS2ナノシート上にFeS2結晶格子（FeS2 CL@WS2 NS）をソルボサーマル法により作製し、酸素発生反応（OER）に利用することに成功しました。その結果、FeS2 CLはWS2ナノシートの酸化や凝集を効果的に抑制し、電気化学的に活性な表面積を増加させることがわかった。また、FeS2 CL@WS2 NS電極触媒の豊富な表面欠陥は、FeS2の結晶格子とWS2の結晶格子の間の応力を低減する。10mA cm-2の電流密度でのOERに対するFeS2 CL@WS2 NS電極触媒の過電位(260mV)は、1.0M KOH溶液中でのWS2 NS/Niフォーム(310mV)及びIrO2/Niフォーム(300mV)に比べて優れていることがわかった。電気化学的運動学的研究では、FeS2 CL@WS2 NS電極触媒のタフェルスロープが54mV/10年であり、WS2 NS(102mV/10年)やIrO2/Niフォーム(77mV/10年)よりも低いことが示された。また、OER用FeS2 CL@WS2 NS電極触媒の電荷輸送抵抗（2.3Ω）は、WS2 NS電極触媒よりも小さい。これらの速い運動特性が、OER用FeS2 CL@WS2 NS電極触媒の高い触媒活性を説明している。安定化後の試料のXPSとHRTEMの結果から、耐久性測定後にFe2+とW4+が酸化されていることが確認された。このことから、FeS2 CL@WS2 NS電極触媒は、効率的かつ低コストで安定な非ノーブル金属ベースのOER電極触媒の有望な候補であると考えられる。

The control of surface elements and nanostructures is one of the effective ways to design and synthesize high performance catalysts. Herein, we, for the first time, prepare FeS2 crystal lattices on WS2 nanosheets (FeS2 CL@WS2 NS) by solvothermal methods for the oxygen evolution reaction (OER). The FeS2 CLs effectively prevent the oxidation and aggregation of WS2 nanosheets and increase the electrochemically active surface area. The abundant surface defect in the FeS2 CL@WS2 NS electrocatalyst reduces the stress between the crystal lattices of FeS2 and that of WS2. The overpotential (260 mV) of the FeS2 CL@WS2 NS electrocatalyst for the OER at a current density of 10 mA cm-2 is superior to those of WS2 NS/Ni foam (310 mV) and IrO2/Ni foam (300 mV) in 1.0 M KOH solution. An electrochemical-kinetic study shows that the Tafel slope of 54 mV per decade for the FeS2 CL@WS2 NS electrocatalyst is lower than those of WS2 NS (102 mV per decade) and IrO2/Ni foam (77 mV per decade). In addition, the charge transport resistor (2.3 Ω) of the FeS2 CL@WS2 NS electrocatalyst for the OER is smaller than that of WS2 NS. These faster kinetic properties, in turn, explain the high catalytic activity of the FeS2 CL@WS2 NS electrocatalyst for the OER. The XPS and HRTEM results of the post stability sample confirm that Fe2+ and W4+ are oxidized after durability measurement. Thus, we think that the FeS2 CL@WS2 NS electrocatalyst is a promising candidate for efficient, low-cost, and stable non-noble-metal-based OER electrocatalysts.