摘要：随着化石燃料的过度消耗导致的环境污染和能源枯竭问题日益严重，清洁能源的开发利用成为全球关注的焦点。氢能作为一种清洁能源，具有高能量密度和零碳排放的优势，被认为是未来能源的重要发展方向。电化学水裂解制氢（HER）是氢能生产的重要途径，其中HER催化剂的性能直接影
随着化石燃料的过度消耗导致的环境污染和能源枯竭问题日益严重，清洁能源的开发利用成为全球关注的焦点。氢能作为一种清洁能源，具有高能量密度和零碳排放的优势，被认为是未来能源的重要发展方向。电化学水裂解制氢（HER）是氢能生产的重要途径，其中HER催化剂的性能直接影响到氢能的生产效率。然而，目前商业化的Pt基催化剂价格昂贵且资源有限，限制了氢能的广泛应用。因此，开发高性能、低成本的HER催化剂成为当前研究的热点。
论文概要
近日，西北工业大学的徐飞教授在《Chemical Communications》上发表了题为“Engineering heterostructured Mo2C/MoS2 catalyst with hydrophilicity/aerophobicity via carbothermal shock for efficient alkaline hydrogen evolution”的论文。该研究通过超快速碳热冲击法合成了Mo2C/MoS2异质结构催化剂（Mo2C/MoS2-CP），并研究了其HER性能。研究发现，Mo2C/MoS2-CP催化剂具有优异的HER活性，在1 M KOH电解液中，过电位仅为191.4 mV，Tafel斜率为64.5 mV dec-1，优于MoS2、Mo2C和Pt/C等催化剂。此外，Mo2C/MoS2-CP催化剂还具有良好的稳定性，在100 mA cm-2的电流密度下，100小时内的过电位仅略有增加。该研究结果表明，Mo2C/MoS2异质结构可以有效提高催化剂的HER活性，Mo2C/MoS2-CP催化剂有望应用于氢能生产领域。
研究亮点
1. 超快速合成方法：利用超快速碳热冲击法，在2秒内快速合成Mo2C/MoS2异质结构催化剂，实现了高效、便捷的催化剂制备。
2. Mo2C/MoS2异质结构：构建的Mo2C/MoS2异质结构有效调节了Mo位点的电子结构，促进了电荷转移，从而提高了催化剂的HER活性。
3. 优异的HER性能：Mo2C/MoS2-CP催化剂在1 M KOH电解液中表现出优异的HER活性，过电位仅为191.4 mV，Tafel斜率为64.5 mV dec-1，优于MoS2、Mo2C和Pt/C等催化剂。
4. 良好的稳定性：Mo2C/MoS2-CP催化剂具有良好的稳定性，在100 mA cm-2的电流密度下，100小时内的过电位仅略有增加。
5. 优异的表面性质：Mo2C/MoS2-CP催化剂具有优异的亲水性和疏气性，有利于电解质的快速润湿和氢气泡的及时释放，从而加速了HER动力学过程。
图文概览
图1：该图展示了Mo2C/MoS2-CP催化剂的合成过程和形貌特征。图1a是Mo2C/MoS2-CP催化剂合成过程的示意图，通过超快速碳热冲击法，在碳纸上构建了Mo2C/MoS2异质结构。图1b是Mo2C/MoS2-CP催化剂的扫描电子显微镜（SEM）图像，可以看出催化剂表面分布着层状MoS2纳米片。图1c是Mo2C/MoS2-CP催化剂的透射电子显微镜（TEM）图像，可以清晰地看到MoS2纳米片层层堆叠的结构。图1d是Mo2C/MoS2-CP催化剂的高分辨率透射电子显微镜（HRTEM）图像，可以看出MoS2纳米片和Mo2C纳米粒子之间存在异质界面。图1e展示了Mo2C和MoS2的快速傅里叶变换（FFT）模式，可以确定MoS2纳米片的晶面间距为0.25 nm（（102）平面）和0.235 nm（（200）平面）。图1f是Mo2C/MoS2-CP催化剂的原子力显微镜（AFM）图像，可以观察到催化剂表面具有纳米级的粗糙度。
图2：该图展示了Mo2C/MoS2-CP催化剂的结构和组成信息。图2a是Mo2C-CP、MoS2-CP和Mo2C/MoS2-CP催化剂的X射线衍射（XRD）图谱，可以看出Mo2C/MoS2-CP催化剂中同时存在MoS2和Mo2C的衍射峰，证实了Mo2C/MoS2异质结构的形成。图2b是Mo2C/MoS2-CP和MoS2-CP催化剂的X射线光电子能谱（XPS）全谱图，可以看出Mo2C/MoS2-CP和MoS2-CP催化剂中均存在C、Mo和S元素。图2c是Mo2C/MoS2-CP和Mo2C-CP催化剂的C 1s XPS图谱，可以看出Mo2C/MoS2-CP催化剂中存在额外的Mo-C峰，证实了Mo2C/MoS2异质结构的形成。图2d是Mo2C/MoS2-CP催化剂的Mo 3d XPS图谱，可以看出Mo2C/MoS2-CP催化剂中存在多种Mo的价态，证实了Mo2C/MoS2异质结构对Mo的电子结构进行了调节。
图3：该图展示了Mo2C/MoS2-CP催化剂的表面性质。图3a是Mo2C/MoS2-CP和CP催化剂的接触角测试结果，可以看出Mo2C/MoS2-CP催化剂具有优异的亲水性，接触角仅为47.61°，远低于CP催化剂的138.51°。图3b是CP和Mo2C/MoS2-CP催化剂在HER过程中氢气泡的形貌变化，可以看出CP催化剂表面覆盖着大量的大气泡，而Mo2C/MoS2-CP催化剂表面只有少量的小气泡。图3c是CP和Mo2C/MoS2-CP催化剂在HER过程中氢气泡尺寸分布，可以看出CP催化剂表面存在大量的大气泡，而Mo2C/MoS2-CP催化剂表面存在大量的小气泡。
图4：该图展示了Mo2C/MoS2-CP催化剂的HER性能。图4a是CP、Mo2C-CP、MoS2-CP、Mo2C/MoS2-CP和Pt/C催化剂的LSV曲线，可以看出Mo2C/MoS2-CP催化剂在低电流密度下表现出优异的HER活性，过电位低于MoS2、Mo2C和Pt/C等催化剂。图4b是CP、Mo2C-CP、MoS2-CP、Mo2C/MoS2-CP和Pt/C催化剂的Tafel曲线，可以看出Mo2C/MoS2-CP催化剂的Tafel斜率低于MoS2、Mo2C和Pt/C等催化剂，表明其HER动力学更快。图4c是CP、Mo2C-CP、MoS2-CP、Mo2C/MoS2-CP和Pt/C催化剂的循环伏安曲线（CV），可以看出Mo2C/MoS2-CP催化剂具有良好的循环稳定性。图4d是CP、Mo2C-CP、MoS2-CP、Mo2C/MoS2-CP和Pt/C催化剂的Nyquist图，可以看出Mo2C/MoS2-CP催化剂的电荷转移电阻（Rct）最小，表明其电荷转移速率最快。图4e是Mo2C/MoS2-CP催化剂在10 mA cm-2的电流密度下进行chronoamperometry测试的结果，可以看出Mo2C/MoS2-CP催化剂具有良好的稳定性，100小时内过电位仅略有增加。
总结展望
总之，本研究通过超快速碳热冲击法合成了Mo2C/MoS2异质结构催化剂，并系统地研究了其HER性能。研究发现，Mo2C/MoS2异质结构可以有效调节Mo位点的电子结构，促进电荷转移，从而提高催化剂的HER活性。此外，Mo2C/MoS2-CP催化剂具有优异的亲水性和疏气性，有利于电解质的快速润湿和氢气泡的及时释放，从而加速了HER动力学过程。Mo2C/MoS2-CP催化剂在1 M KOH电解液中表现出优异的HER性能，过电位仅为191.4 mV，Tafel斜率为64.5 mV dec-1，优于MoS2、Mo2C和Pt/C等催化剂。此外，Mo2C/MoS2-CP催化剂还具有良好的稳定性，在100 mA cm-2的电流密度下，100小时内的过电位仅略有增加。该研究结果表明，Mo2C/MoS2异质结构可以有效提高催化剂的HER活性，Mo2C/MoS2-CP催化剂有望应用于氢能生产领域。
文献信息：Hao Xiong , Xinren Zhang , Xu Peng , Dengke Liu , Yimeng Han and Fei Xu. Engineering heterostructured Mo2C/MoS2 catalyst with hydrophilicity/aerophobicity via carbothermal shock for efficient alkaline hydrogen evolution. DOI: 10.1039/D4CC03757J (Communication) Chem. Commun., 2024, 60, 11112-11115.
来源：科学美匠
