Spent Zinc–Carbon Battery-Derived Carbon Nanoparticles Coupled with Transition Metal Dichalcogenides for Enhanced pH-Universal Hydrogen Evolution Reaction

Sử dụng chất xúc tác điện hóa có hiệu suất cao từ tái chế phế thải đối với quá trình tạo khí hydro (HER), nguồn nhiên liệu xanh sạch để thay thế cho các nhiên liệu hóa thạch, từ phản ứng tách nước là cần thiết để hướng tới sự phát triển bền vững về mặt kinh tế và kết hợp với bảo vệ môi trường. Nhóm tác giả đề xuất một ý tưởng đơn giản, thực hiện tái chế điện cực pin đã qua sử dụng để tăng cường hiệu suất HER bằng cách dùng xúc tác điện hóa là các điện cực anot cacbon trong pin kẽm-cacbon đã qua sử dụng gắn trên bề mặt vật liệu kim loại chuyển tiếp hai chiều thuộc nhóm dichalcogenide (TMD).

Trong nghiên cứu này, các hạt nano cacbon (CNP) được đính trên bề mặt của vật liệu hai chiều MoS2 và WS2 bằng phương pháp siêu âm đơn giản. Nhóm tác giả nhận thấy các cấu trúc CNPs@TMD (CNPs@WS2 và CNPs@MoS2) trở nên xốp hơn và xuất hiện nhiều vị trí hấp phụ tích cực nước trên bề mặt giúp tăng cường hiệu suất HER trong các môi trường có độ pH khác nhau từ kiềm đến axit. Trong môi trường axit, CNPs@WS2 và CNPs@MoS2 thể hiện điện thế quá mức là 0,34 và 0,42 V ở 10 mA cm–2, với độ dốc Tafel lần lượt là 0,139 V dec–1 và 0,145 V dec–1. Hiệu suất của CNPs@TMDs đối với HER được cải thiện là do độ dẫn điện của vật liệu được tăng lên đáng kể và và diện tích bề mặt hoạt động điện hóa được mở rộng khi gắn các hạt nano carbon trên bề mặt của TMDs. Cùng với các kết quả thực nghiệm, các tính toán lý thuyết hàm mật độ (DFT) cho thấy việc kết hợp các nguyên tử carbon trên bề mặt TMD có thể điều chỉnh hiệu quả các tính chất điện tử của các lớp đơn MoS2 và WS2 từ chất bán dẫn thành bán kim loại và làm giảm đáng kể năng lượng tự do Gibbs hấp phụ hydro. Nghiên cứu này chỉ ra hoạt tính xúc tác cao đối với HER trong các môi trường có độ pH khác nhau được chế tạo thông qua một phương pháp có giá thành thấp, đơn giản, hứa hẹn mở ra các ứng dụng thực tế cho việc tái chế điện cực pin trong tương lai.

Đây là nội dung bài báo thuộc danh mục ISI Q1 do nhóm tác giả TS. Trần Thị Nhàn- giảng viên Vật lý- Khoa khoa học cơ bản- trường Đại học Công nghiệp Hà Nội; Cử nhân Phú Thị Kim Cương, Cử nhân Vương Thị Thùy Trang, Thạc sĩ Nguyễn Hữu Doanh, TS. Phùng Thị Việt Bắc, TS. Nguyễn Phi Long- Trường Đại học VinUniversity; Cử nhân. Lê Ngân Nguyên – Trường Đại học Văn Lang đăng trên tạp chí ACS Applied Energy Materials ngày 19 tháng 11 năm 2024.

Abstract: Utilizing highly effective waste-into-value electrocatalysts for the hydrogen evolution reaction (HER) opens a sustainable route to economically beneficial and environmentally friendly hydrogen production. A simple strategy for reusing spent batteries involves enhancing HER performance by preparing electrocatalysts of the carbon anode in spent zinc–carbon batteries and transition metal dichalcogenide (TMDs) materials. In this study, carbon nanoparticles (CNPs) are incorporated into the basal planes of MoS2 and WS2 using a simple ultrasonication method. CNPs@TMDs (CNPs@WS2 and CNPs@MoS2) with fewer-layer structures and enhanced exposed active sites show promising catalytic activity for pH-universal HER. In acid, CNPs@WS2 and CNPs@MoS2 exhibit overpotentials of 0.34 and 0.42 V at 10 mA cm–2, with Tafel slopes of 0.139 V dec–1 and 0.145 V dec–1, respectively. The enhanced HER performance of CNPs@TMDs originates from their improved electrical conductivity and higher electrochemically active surface area. Alongside experimental results, density function theory (DFT) calculations reveal that incorporating carbon atoms on the TMD surface can efficiently tune the electronic properties of MoS2 and WS2 monolayers from semiconductor to semimetal and considerably reduces the hydrogen adsorption Gibbs free energies. These results indicate that highly effective HER catalysts with enhanced catalytic activity in universal pH media are fabricated via an economical and facile method, holding promise for practical applications and paving the way for battery recycling.

Keywords: Recycling batteries; Carbon nanoparticles; Transition metal Dichalcogenides; Green hydrogen; Hydrogen evolution reaction

Toàn văn bài báo tải về tại đây: https://doi.org/10.1021/acsaem.4c01791

Một vài hình vẽ trong bài báo của nhóm nghiên cứu