二硫化鉬和磷化鉬複合材料高效鹼性析氫

近日，北京化工大學程道建教授課題組等人設計出了一種二硫化鉬（MoS2）和磷化鉬（MoP）結合的複合材料，其層間界面結構有較高的活性位點，能有效緩解商業化催化劑在鹼性下析氫反應(HER)的不足。該研究成果已被發表在國際著名能源期刊Nano Energy上。

二硫化鉬MoS2圖片

目前，電解水技術被認為是一種大規模生產氫氣的綠色清潔方法，而HER在氫氣製備過程中起著至關重要的作用。然而，HER在鹼性電解液中的反應動力學十分緩慢，就連當前最先進的催化劑——貴金屬鉑族金屬(PGM)在其中的動力學比在酸性條件下的動力學慢兩個數量級，這嚴重製約了基於鹼性條件下水分解的制氫技術的發展。

MoS2因有活性高和穩定性優異的特點，而被公認為是PGM催化劑的理想替代品。電化學實驗和密度泛函理論(DFT)計算表明，MoS2在酸性溶液中表現出優異的HER性能，因為二硫化鉬的邊緣位置的最佳氫吸附自由能與鉑的非常接近，約為0.08eV。但是，MoS2在鹼性溶液中的HER動力學表現也不是很理想。因此，為了加速水分解的步驟，向MoS2催化劑中引入具有裂解HO-H鍵功能的「促進劑」，如碳、氮、磷、硒等。

此外，過渡金屬MoP由於具有與MoS2相似的結構，而能在鹼性條件下表現出更好的HER性能。因此，若將MoP與MoS2催化劑結合，或能起到協同促進鹼性介質中的HER動力學的作用。

北京化工大學研究者通過水熱法和高溫部分磷化手段，在碳布上合成了MoS2-MoP/NC異質結催化劑，其鹼性條件下表現出超越商業Pt/C的催化性能，並且有望取代Pt/C催化劑。當電流密度為10mA/cm2時，MoS2-MoP/NC異質結催化劑所需電勢僅34 mV，遠低於其他材料。結合實驗表徵與第一性原理計算，表明MoS2-MoP/NC增強的鹼性HER催化性能的起源來自通過層間界面結構所引入新的高效活性位點。

然而，研究者在做實驗過程中並未一帆風順。為了解決MoS2催化劑的活性位點數量少，導電性以及穩定性不良等問題，他們向MoS2中引入新的雜原子(P)，形成異質界面，界面效應使得界面處S空位增加，從而提高了催化劑邊緣活性位點數量。此外，引入導電性優異的碳物質，能有效的提高MoS2基催化劑導電性。最後，通過構建異質結三維催化劑，有利於反應物的吸附以及產物的迅速脫附，大大地提高了催化劑電化學穩定性。