【催化】能带可控的MoS2层状材料：高效水分解析氢催化剂

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氢气是下一代清洁和可再生能源的最佳燃料。现有的制氢技术有化学催化裂解、光/电化学催化分解水等，其中电化学技术具有转化效率高、绿色等优点，因而得到广泛的采用。目前，贵金属铂是电催化分解水制氢的最佳催化剂，然而其价格昂贵且资源稀少，所以寻找高催化活性的非贵金属催化剂是当今该领域的研究热点。现有的研究表明，二维层状二硫化钼（MoS₂）材料被誉为潜在的析氢反应（HER）电催化剂，但未剥离的块状MoS₂具有较差的电子传导性和很大的HER过电势。因此，如何提高MoS₂材料对HER的电催化活性是当前的重要挑战。

南京大学化学化工学院的夏兴华团队潜心于层状仿生材料的设计和性能研究（NPG Asia Mater., 2017, 9, 354; J. Am. Chem. Soc., 2015, 137, 7365; Anal. Chem., 2015, 87, 5831; Nat. Commun., 2014, 5, 1）。他们提出了局域化表面等离子体共振（LSPR）增强电化学反应的新设想，通过Au纳米棒的LSPR效应将热电荷注入到MoS₂导带，增加MoS₂的电荷密度，使催化剂的能级与HER能级更加匹配，降低反应的过电势（J. Am. Chem. Soc., 2015, 137, 7365）。受此工作启发，即增加MoS₂的电荷密度有利于促进HER的催化活性，近期他们利用溶剂热法合成出锌掺杂的片层二硫化钼纳米花结构（Zn-MoS₂）（图1），通过过渡金属的掺杂来提高MoS₂的电荷密度。

图1. Zn-MoS₂片层材料的形貌表征

该工作以Zn-MoS₂材料作为设计模型，强调材料设计要同时兼顾热力学（能级匹配）和动力学（丰富的催化活性位点）两方面（图3）。锌元素的掺杂使MoS₂与反应底物能级更加匹配，提高了两者之间电子交换的能垒；另一方面，掺杂后的MoS₂具有更多的HER催化活性位点和更好的导电性，大大增加了电子传递到活性位点发生反应的概率。基于该设计，Zn-MoS₂材料对HER的催化过电位降低到130 mV，Tafel斜率为51 mV/dec，转换频率高达15.44 s^-1，超过目前报道的大部分MoS₂ 材料（图2）。

图2. Zn-MoS₂片层材料的电化学表征

图3. 锌掺杂MoS₂增强HER的机理探讨

这一成果近期发表在Journal of the American Chemical Society 上，文章的第一作者是南京大学的博士研究生施毅。该工作得到国家自然科学基金面上项目和国家重点研究发展规划项目等的支持。

该论文作者为：Yi Shi, Yue Zhou, Dong-Rui Yang, Wei-Xuan Xu, Chen Wang, Feng-Bin Wang, Jing-Juan Xu, Xing-Hua Xia and Hong-Yuan Chen

原文（扫描或长按二维码，识别后直达原文页面）：

Energy Level Engineering of MoS₂ by Transition-Metal Doping for Accelerating Hydrogen Evolution Reaction

J. Am. Chem. Soc., 2017, 139, 15479, DOI: 10.1021/jacs.7b08881

导师介绍

夏兴华

http://www.x-mol.com/university/faculty/11579

课题组链接

http://hysz.nju.edu.cn/xhxia/

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