Small Methods：叶绿素-a来帮忙！绿色催化剂的新制备途径!

为了到2030年实现全球零碳排放的气候目标，到2050年，全球对氢的需求、需要是现有消费水平的两倍以上，将从2.12亿吨增加到5.28亿吨。因此，用具有成本效益的非贵金属材料取代昂贵的铂/碳(Pt/C)催化剂，使电解水在经济上可行是一个非常重要的策略。二维二硫化钼(MoS₂)被认为是一种有前景的低成本替代催化剂，这归因于其能够有效吸收太阳辐射和实现快速的界面电荷转移，在碱性和酸性介质中增加热中性氢吸附能和稳定性。

基于MoS₂这些优点，印度理工学院Jhimli Manna等人提出了一种相工程策略，通过光诱导反键电子从叶绿素-a(CHL-a)最高占据分子轨道转移到2H MoS₂最低未占据分子轨道，制备了稳定的高百分比(88%)1T MoS₂/叶绿素-a异质纳米结构催化剂。

本文首先在0.5 M H₂SO₄/PBS溶液中，采用线性扫描伏安法(LSV)测试了在不同曝光时间(5、10、20 min，表示为样品1、2、3)下制备的2H-MoS₂/CHL-a催化剂的电催化性能，并与商业Pt/C的电催化HER性能进行了比较。在20分钟的曝光时间下，1T-MoS₂/CHL-a在电流密度为10 mA cm^-2时的低过电位仅为68 mV，远小于2H-MoS₂/CHL-a(141 mV)，并且十分接近Pt/C(53 mV)，这意味着界面中的强相互作用可以显著提高催化活性。

之后，本文通过相应的Tafel图了解催化剂表面的HER反应途径。2H-MoS₂和2H-MoS₂/CHL-a的Tafel斜率分别高达78.62和65.49 mV dce^-1，说明其HER过程中的Volmer步骤是决速步骤。对于在10分钟和5分钟曝光下制备的1T-MoS₂/CHL-a的Tafel斜率分别为32.47和39.78 mV dce^-1，这反映了当异质结构中1T百分比增加时，电子转移动力学更快。对于曝光时间为20分钟时，1T-MoS₂/CHL-a的Tafel斜率下降到15.56 mV dce^-1，这表明1T-MoS2/CHL-a通过Volmer-Heyrovsky机制经历了两质子耦合电子转移步骤，这与传统MoS₂的机制不同。

更重要的是，1T-MoS₂/CHL-a异质结构的稳定性测试结果表明，在1万次循环后，催化剂的活性损失很小，表现出良好的稳定性。

本文还采用密度泛函理论计算，研究了不同H吸附位点的2H-MoS₂/CHL-a和1T-MoS₂/CHL-a的催化性能。

首先计算了结合能，在带电的CHL-a顶部(-0.11277 Ry)和1T-MoS₂平面(−0.15771和−0.17843 Ry)上的氢结合强度非常强，这是由于更快的电荷转移动力学，这也是高效生成H^*所必需的。另一方面，2H-MoS₂/CHL-a表现出较低的结合能(-0.028，-0.05和-0.01 Ry)，表明它们不是HER过程的活性催化位点。

此外，1T-MoS2/CHL-a异质结构(ΔG_H*=-0.01128 eV)表现出最佳的HER催化活性，其氢吸附超过了基面上其他结构的H吸附(ΔG_H*=-0.10577和-0.11784 ev)，其中也包括2H-MoS₂/CHL-a异质结构以及目前最高效的Pt/C催化剂(-0.08 eV)。

究其原因，可能是在MoS₂界面上带正电的CHL-a使Mo-S键发生极化，降低了氢吸附焓，从而在1T-MoS₂/CHL-a界面上产生了活跃的HER位点。从各种数据可以看出，CHL-a的中心Mg是一个有效的氢吸附位点。综上所述，CHL-a 1T异质结构可以从形成的界面中诱导出大量活性位点，与纯2H MoS₂的催化惰性基面完全不同，具有更大的表面积和更高的稳定性，这也是本文催化剂催化性能优异的重要的原因。总之，本文的这种表面重构策略为制备高效的非贵金属催化剂，实现绿色制氢提供了新的途径。

Efficient Hydrogen Evolution via 1T-MoS₂/Chlorophyll-a Heterostructure: Way Toward Metal Free Green Catalyst, Small Methods, 2023, DOI: 10.1002/smtd.202201446.

https://doi.org/10.1002/smtd.202201446.

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