The Role of the Metal Element in Layered Metal Phosphorus Triselenides upon Their Electrochemical Sensing and Energy Applications

Abstract

The number of layered materials seems to be ever-growing, from mono- to multielement, with affiliates and applications being tested continuously. Chalcogenophosphites, also designated as metal phosphorus chalcogenides (MPX n ), have attracted great interest because of not only their magnetic properties but also promising capabilities in energy applications. Herein, bulk crystals of different layered metal triselenophosphites, with a general formula MPSe3 (M = Cd, Cr, Fe, Mn, Sn, Zn), were synthesized. Structural and morphological characterization was performed prior to testing their electrochemical performance. From the set of ternary layered materials, FePSe3, followed by MnPSe3, yielded the highest efficiency for the hydrogen evolution reaction (HER) both in acidic and alkaline media with good stability after 100 cycles. MnPSe3 also holds the lowest oxidation potential for cysteine, although this is due to the presence of MnO2 in the structure as detected by X-ray photoelectron spectroscopy. For the oxygen evolution reaction, the best performance was observed for FePSe3, although the stability of the material was not as good as in the case of HER. These findings have profound implications in the application of these layered ternary compounds in energy-related fields.

Metall‐Phosphor‐Trichalkogenide (MPCh3): von der Synthese zu aktuellen Energieanwendungen

“…Abgesehen von der Hauptsynthese aus den Elementen wurde auch die Verwendung von nanokristallinem Hydroxid als Metallquelle beschrieben. [21,22] Die CoPS 3 -Synthese,bei der als eine Hauptphase bei hohen Te mperaturen CoS 2 entsteht, ist ein weiteres typisches Beispiel. Die Synthesetemperatur liegt in einem weiten Bereich zwischen 300 und 800 8 8C.…”

“…In den letzten fünf Jahrzehnten sind zwar viele Artikel über diese reizvolle Gruppe von Materialien erschienen, viele Syntheserouten, wie gemischte feste Lçsungen und Dotierexperimente,w urden aber noch nicht betrachtet. [21,22] Kristallstrukturen der FePCh 3 -Verbindungen a) FePS 3 (Raumgruppe C2/m)und d) FePSe 3 (Raumgruppe R3);Blick entlang der jeweiligen a-Achse (oben) und c-Achse (unten). Da sich die Ionenradien der Übergangsmetalle kaum unterscheiden, kçnnen somit homogene feste Lçsungen gebildet werden, was die Mçglichkeit einer Feinabstimmung verschiedener Eigenschaften erçffnet.…”

“…d) Die aus den CVsf ürdie jeweilige MPS n -Verbindung berechneten Peak-zu-Peak-Abstände. [21,22] MPCh 3 -Materialien eignen sich wegen ihrer inhärenten Elektrochemie für( Bio-)Sensorsysteme,z .B.a ls elektroaktive Markierung, wie dies bereits fürv erschiedene Schichtmaterialien bekannt ist. e) Nyquist-Diagramme und f) die entsprechenden R ct -Werte in den gleichen Medien wie die CVsfürMPS n in (a).…”

“…[2] Heterogene Elektronentransfer(HET)-Prozesse an Schichtmaterialien sind wesentlich fürd as Verständnis der Auswirkungen der elektronischen Struktur. [21,22] Vond en untersuchten MPCh n -Materialien zeigte BiPS 4 den schnellsten heterogenen Elektronentransfer und war deshalb am elektroaktivsten. Cyclovoltammogramme in Gegenwart der Innensphären-Redoxsonde Ferrocyanid/Ferricyanid ermçglichen die Bestimmung der Geschwindigkeitskonstanten des heterogenen Elektronentransfers anhand von Peak-zu-Peak-Abständen (DE p ) sowie mithilfe der Nicholson-Methode.…”

“…Außerdem sind die Geschwindigkeitskonstanten (k 0 )d es heterogenen Elektronentransfers ein Maß dafür, wie leicht der Elektronentransfer an der Materialgrenzfläche vonstatten geht. [21,22] Diese Studien sollten die Eignung der Materialien fürA nwendungen wie markierungsfreie (Bio-)Sensorsysteme demonstrieren. [43] Diese Methode unterliegt allerdings einigen Beschränkungen.…”