Mechanochemical synthesis of highly disordered transition metal dichalcogenide nano catalysts for hydrogen evolution reaction

Abstract

Geçiş metali dikalkojenit (TMD) katalizörleri geniş çapta incelenmiş olmasına rağmen, büyük ölçekli üretimleri hâlâ bir zorluktur. Bu çalışmada, TMD nano katalizörlerin üretimi için kolayca ölçeklenebilir ve yaygın bir mekanokimyasal sentez yöntemi geliştirilmiştir. İlk kez, kolayca erişilebilen elementel öncüllerden (Mo, S ve Se) doğrudan MoS₂ ve MoSe₂ nano katalizörlerinin mekanokimyasal sentezi gerçekleştirilmiştir. Tek bir işlemde yaklaşık 2 gram MoS₂ ve MoSe₂ nanoparçacığı sırasıyla %94,3 ve %90,9 verimle elde edilmiştir. Sentezlenen katalizörler, kalınlıkları 5 ila 10 katman arasında değişen nanoyapraklar formundadır ve kataliz uygulamaları için arzu edilen yüksek derecede düzensiz bir yapıya sahiptir. MoS₂ ve MoSe₂ nanoyaprakları, hidrojen gelişim reaksiyonunda (HER) mükemmel katalitik aktivite göstermiştir; 100 mA cm⁻² akım yoğunluğu elde etmek için sırasıyla 275 ve 211 mV aşırı potansiyel ve 75 ile 48 mV dec⁻¹ Tafel eğimi sergilemiştir. Nanoyaprakların neredeyse amorf yapısı ile bünyelerinde bulunan noktasal kusurlar ve kükürt/selen boşlukları, yüksek katalitik aktivitenin başlıca nedenleri olarak belirlenmiştir. Önerilen bu yöntem, diğer nano TMD’lerin sentezine de uygulanabilir olup gelecekteki araştırma faaliyetlerini destekleyebilecek potansiyele sahiptir.

Although transition metal dichalcogenide (TMD) catalysts have been widely studied, their large-scale production remains a challenge. In this study, a readily scalable and ubiquitous mechanochemical synthesis method, for the production of TMD nano catalysts, is developed. For the first time, the direct mechanochemical synthesis of MoS2 and MoSe2 nano catalysts from easily accessible elemental precursors (Mo, S and Se) is demonstrated. About 2 g of MoS2 and MoSe2 nano powder could be produced in a single batch with a yield of 94.3% and 90.9%, respectively. The synthesized catalysts are in the form of nanosheets whose thickness range from 5 to 10 layers and have a highly disordered structure that is coveted for catalysis applications. The MoS2 and MoSe2 nanosheets exhibit an excellent catalytic activity in hydrogen evolution reaction with an overpotential of 275 and 211 mV to deliver 100 mA cm 2 current density and a Tafel slope of 75 and 48 mV dec 1, respectively. Nearly amorphous structure of the nanosheets incorporating point defects and sulfur/selenium vacancies is the main contributing factor to the high catalytic activity. The proposed method can be implemented to the synthesis of other nano TMDs, fueling future research activity.