大连化物所实现二维硫化钼共限域钴/硒双原子“里应外合”高效催化电解水析氢

大连化物所实现二维硫化钼共限域钴/硒双原子“里应外合”高效催化电解水析氢

近日，中国科学院大连化学物理研究所催化基础国家重点实验室邓德辉研究员团队在酸性水电解析氢（HER）催化剂研究方面取得新进展，基于二维硫化物。 钼（MoS2）的三原子层结构特点将Co和Se分别限制在其内部和表面晶格中，实现了Co/Se的“内-内-外组合”协同调节MoS2的催化性能，提高了其能力催化酸性 HER。 活性和稳定性。 该研究为进一步探索MoS2催化析氢潜力和设计廉价高效的HER催化剂提供了新思路。

MoS2是一种二维材料，在地球中储量丰富，具有独特的几何和电子结构。 它在电催化HER中表现出良好的催化性能，具有替代贵金属铂基催化剂的潜力。 然而，传统的MoS2仅在其边缘硫位点上表现出一定的催化HER活性，而二维平面中的大量硫原子是惰性的且未得到充分利用。 此外，边缘结构稳定性差限制了MoS2的催化性能。 控制激发面硫原子的活性，增加活性边缘结构的数量，同时提高整体结构的稳定性是最大化其HER催化性能的有效途径，但极具挑战性。

该研究团队此前提出并实现了通过限制金属杂原子来控制MoS2晶格中惰性硫原子的催化活性（.Sci., 2015, 8, 1594）。 该策略可以有效提高MoS2的面内HER活性，但不可避免地过度激活边缘结构，导致边缘结构的硫位点过度吸附氢。 团队最新研究发现，将Co和Se限制在MoS2三原子层的内层和表面晶格中（分别替代Mo和S），可以同时实现面内和边缘活性的控制和优化以及结构的改善。稳定。 提升。 该催化剂表现出优异的酸性HER催化性能：在1000 mA cm-2大电流密度下的过电势仅为382 mV，低于商用Pt/C催化剂的671 mV，并且可以稳定保持360 h 。 没有明显的活性衰减，超过了迄今为止报道的杂原子掺杂MoS2催化剂的HER性能。 密度泛函理论研究发现，限制在内层的Co可以激发表面惰性硫的活性，而限制在表层的Se则提供稳定作用。 两者合力“里外合一”，一方面适度削弱了活性。 该位点的氢吸附强度（吸附能接近0 eV）降低了过电势； 另一方面，提高了掺杂结构的稳定性，从而促进了大量面内和边缘活性位点的形成。

邓德辉团队专注于二维催化材料表面和界面调控研究，在二维材料水电解催化剂方面取得了一系列研究进展（Adv. Mater., 2020, 32,; Angew. Chem. Int编辑，2020，59，10502；纳米，2019，61，611；纳米，2018，52，494； 8，14430；科学，2016，9，123；《科学》，2015，8，1594； Sci., 2014, 7, 1919 ；发明专利10余项）。 在此基础上，团队近期研发出基于非贵金属一体式催化电极的便携式氢氧计并实现量产。 已获得中国GB、欧盟RoHS、欧盟CE、美国FDA认证。 此外，该研究为便携式氢氧计催化剂电极的优化升级提供了重要参考。

相关研究成果发表在《自然通讯》（ ）上。 该研究工作得到国家科技部重点研发计划、国家自然科学基金委基础科学中心项目及重大项目、中科院前沿科学重点研究项目、中科院清洁能源创新院合作基金项目、教育部能源材料化学协同创新中心。 。