二硫化钼和磷化钼复合材料高效碱性析氢

近日，北京化工大学程道建教授课题组等人设计出了一种二硫化钼（MoS2）和磷化钼（MoP）结合的复合材料，其层间界面结构有较高的活性位点，能有效缓解商业化催化剂在碱性下析氢反应(HER)的不足。该研究成果已被发表在国际著名能源期刊Nano Energy上。

目前，电解水技术被认为是一种大规模生产氢气的绿色清洁方法，而HER在氢气制备过程中起着至关重要的作用。然而，HER在碱性电解液中的反应动力学十分缓慢，就连当前最先进的催化剂——贵金属铂族金属(PGM)在其中的动力学比在酸性条件下的动力学慢两个数量级，这严重制约了基于碱性条件下水分解的制氢技术的发展。

MoS2因有活性高和稳定性优异的特点，而被公认为是PGM催化剂的理想替代品。电化学实验和密度泛函理论(DFT)计算表明，MoS2在酸性溶液中表现出优异的HER性能，因为二硫化钼的边缘位置的最佳氢吸附自由能与铂的非常接近，约为0.08eV。但是，MoS2在碱性溶液中的HER动力学表现也不是很理想。因此，为了加速水分解的步骤，向MoS2催化剂中引入具有裂解HO-H键功能的“促进剂”，如碳、氮、磷、硒等。

此外，过渡金属MoP由于具有与MoS2相似的结构，而能在碱性条件下表现出更好的HER性能。因此，若将MoP与MoS2催化剂结合，或能起到协同促进碱性介质中的HER动力学的作用。

北京化工大学研究者通过水热法和高温部分磷化手段，在碳布上合成了MoS2-MoP/NC异质结催化剂，其碱性条件下表现出超越商业Pt/C的催化性能，并且有望取代Pt/C催化剂。当电流密度为10mA/cm2时，MoS2-MoP/NC异质结催化剂所需电势仅34 mV，远低于其他材料。结合实验表征与第一性原理计算，表明MoS2-MoP/NC增强的碱性HER催化性能的起源来自通过层间界面结构所引入新的高效活性位点。

然而，研究者在做实验过程中并未一帆风顺。为了解决MoS2催化剂的活性位点数量少，导电性以及稳定性不良等问题，他们向MoS2中引入新的杂原子(P)，形成异质界面，界面效应使得界面处S空位增加，从而提高了催化剂边缘活性位点数量。此外，引入导电性优异的碳物质，能有效的提高MoS2基催化剂导电性。最后，通过构建异质结三维催化剂，有利于反应物的吸附以及产物的迅速脱附，大大地提高了催化剂电化学稳定性。

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