二硫化钼析氢电催化剂

任艳梅; 王家骏; 王平

doi:10.7536/PC200770

化学进展 ›› 2021, Vol. 33 ›› Issue (8) :1270-1279 DOI: 10.7536/PC200770

综述

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二硫化钼析氢电催化剂

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Molybdenum Disulfide as an Electrocatalyst for Hydrogen Evolution Reaction

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摘要

电解水与一次可再生能源耦合,可同时提供洁净制氢方式与先进的能源转化技术,有望在未来清洁能源经济中扮演重要角色,而实现这一美好愿景的关键在于研发高活性、低成本的析氢/析氧电催化材料。二硫化钼(MoS₂)是颇具代表性的非贵金属析氢电催化材料,纵观其研究历程,先导性理论预测与材料设计、先进制备与表征技术的应用均在改性研究中发挥了至关重要的作用,这也从一个侧面折射出当代电催化剂的研究模式与发展趋势。本文按照重要发现与进展的时间顺序,梳理了MoS₂析氢电催化剂的发展历程,重点论述了增多边缘活性位、提高导电性、构筑基面活性位等改性策略的实施方法、效果与机理,最后从全领域总结了MoS₂析氢电催化剂的研究启示并展望其未来发展趋势。

Abstract

Water splitting using the electricity from renewable energy sources offers a clean and sustainable way to produce H₂ and meanwhile an advanced energy conversion technology. Thus it is expected to play a vital role in the future clean energy economy. Crucial to enabling this ideal vision is the development of high-performance and cost-effective electrocatalysts for the hydrogen evolution reaction(HER) and oxygen evolution reaction(OER). Molybdenum disulfide(MoS₂) is a representative non-precious HER catalyst. A panoramic view of its researches and developments clearly shows that leading theoretical perspectives, logical material design, novel synthesis methods and advanced characterization technologies are the key components of a successful electrocatalyst implementation. At the same time, it also reflects the current research mode and points out the development directions of the electrocatalysts. This review covers a sequence of key discoveries and achievements that mark the development of MoS₂ as a HER electrocatalyst, with special focuses on the implementation, effect and mechanism of the modification strategies including increasing the number of active edge sites, improvement of electrical conductivity and activation of inert basal planes. Finally, we briefly discuss the enlightenment from the studies of MoS₂ electrocatalyst and look forward to the future trends of this appealing electrocatalytic material.

Contents

1 Introduction

2 Structure and properties of MoS₂

3 The study of MoS₂electrocatalyst for HER

3.1 Theoretical discovery and experimental verification of MoS₂electrocatalysis for HER

3.2 The modification strategy to engineering active edge sites

3.3 The modification strategy to improving electrical conductivity

3.4 The modification strategy to activating basal planes

4 Several enlightenments from the studies of MoS₂electrocatalyst

5 Conclusion and outlook

Graphical abstract

关键词

电解水 / 制氢 / 电催化剂 / 析氢反应 / 二硫化钼

Key words

water splitting / hydrogen production / electrocatalyst / hydrogen evolution reaction / molybdenum disulfide

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任艳梅, 王家骏, 王平. 二硫化钼析氢电催化剂[J]. 化学进展, 2021, 33(8): 1270-1279 DOI:10.7536/PC200770

Yanmei Ren, Jiajun Wang, Ping Wang. Molybdenum Disulfide as an Electrocatalyst for Hydrogen Evolution Reaction[J]. Progress in Chemistry, 2021, 33(8): 1270-1279 DOI:10.7536/PC200770

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1 引言

化石能源是造就人类现代文明的重要物质基础,但时至今日,化石能源已日渐成为制约人类社会可持续发展的问题源头。一方面,化石能源资源日趋匮乏,引发严重的能源安全问题;另一方面,化石燃料长期使用所造成的环境污染与气候异变等问题,严重威胁人类的生存环境^[1]。开发与利用清洁可再生能源已成为根本性解决能源、环境等全球性问题的必由之路。氢是一种洁净、高效的二次能源载体,有望在未来清洁能源经济中扮演重要角色。但实现氢能的规模化应用需构建包括制氢、储氢和用氢等环节的完整氢能产业链,其中的每个环节均面临着严峻的技术挑战^[2,3]。对于制氢环节,现有的天然气重整、石油气化和煤气化等主流制氢技术均严重依赖于化石燃料,不具备可持续发展属性;电解水属清洁制氢技术,但因制氢成本过高而规模受限,目前仅约占制氢总量的4%^[4]。但伴随着可再生能源技术的发展与应用推广,这一局面将得到根本性改观。水在自然界中储量丰富、来源广泛,是理想的制氢原料。利用太阳能、风能和潮汐能等一次可再生能源产生的电能分解水,可提供洁净和便捷的制氢方式,根本性摆脱化石燃料依赖性;同时,实现以电能为媒介的一次能源向化学能转化,可有效解决一次能源固有的间歇性和地域性等问题,为提高一次能源利用效率提供了可行方案^[5]。如此,实现电解水与一次可再生能源的耦合利用,将在推动氢能技术发展的同时,带动可再生能源转化与应用技术发展。

电解水涉及析氢反应(Hydrogen evolution reaction, HER)和析氧反应(Oxygen evolution reaction, OER)两个半反应。研发高活性电催化剂,降低两个半反应的过电位以提高能效是电解水技术的核心研究内容。对于HER,贵金属Pt是公认的高活性催化剂,但其高昂的材料成本和资源稀缺性严重制约其实际应用。数十年来,各国学者积极探寻非贵金属HER催化剂,在发现催化新材料、拓展材料研究范畴方面取得了积极进展,目前已形成了种类繁多和数量庞杂的HER催化材料体系,按材料类别可将其划分为过渡金属、合金、金属化合物和非金属材料四个类型,其中金属化合物催化剂包括硫化物^[6⇓~8]、磷化物^[9⇓~11]、氮化物^[12⇓~14]、碳化物^[15⇓~17]、硼化物^[18⇓~20]和氧化物^[21⇓~23]等材料分支。得益于材料制备与表征技术的进步以及计算能力的提升,非贵金属HER催化剂在材料成分设计、纳米结构调控和改性机理解析等方面均得到了长足发展。目前已有多种Ni基合金或化合物表现出接近贵金属Pt的HER催化活性,初步证实了获取高性能且低成本HER催化剂的现实可行性^[24⇓~26]。

纵观非贵金属HER催化剂的研究现状,不同类型的催化剂虽具有不同的本征活性、导电性或材料结构特征,但在电催化材料设计、改性策略以及成分/结构调制方法等方面多有相似之处。此种情况下,选取代表性的HER催化剂,厘清其发展历程、研究思路、改性效果与机理,对于准确把握拥有庞杂体系的HER催化剂的研究动态与发展趋势将大有裨益。本文以二硫化钼(Molybdenum disulfide, MoS₂)的重要发现和进展的时间顺序,梳理了MoS₂析氢电催化剂的发展历程,重点论述了增多边缘活性位、提高导电性和构筑基面活性位等改性策略的实施方法、效果与机理,最后从领域全局角度总结了MoS₂析氢电催化剂的研究启示并展望了其未来发展趋势。

2 二硫化钼的结构特征与物化特性

二硫化钼是典型的层状过渡族金属化合物,由具有三明治结构的单层MoS₂通过范德华作用力堆叠而成。MoS₂单层中,Mo原子层位于两个S原子层之间,Mo、S原子以共价键结合^[28,29]。在化学性能方面,MoS₂比较稳定,不易氧化,不溶于水、稀酸、浓硫酸、碱及有机溶剂中,但溶于煮沸的浓硫酸和王水。MoS₂的价键结构决定了其各向异性特征。在电学性能方面,其层内导电性高于层间导电性2个数量级以上^[27,28];在机械性能方面,外力作用容易造成MoS₂片层剥离,形成二维片状结构;此外,因层间作用力弱,MoS₂也易于通过层间插入异质离子进行化学剥离^[28,30]。

依原子排布与片层堆叠顺序不同,块体MoS₂呈现出丰富的晶体结构类型,例如,2H、3R、1T、1T'、1T″等(H、R、T分别代表六方、斜方、三方结构;数字表示每个晶胞中MoS₂单层的数量)。在常见的2H、3R、1T三种晶型中(如图1所示),2H为热力学稳定相,其结构基元为两层AB型堆叠的S-Mo-S单层,Mo原子为三棱柱配位;3R和1T的结构基元分别为三层ABC型堆叠的S-Mo-S单层和单层S-Mo-S,其中Mo原子分别为三棱柱配位和八面体配位。3R和1T均为亚稳相,可在加热或微波辐照条件下转变为2H相^[29,31,32]。对于单层MoS₂,S原子层的排布方式决定其存在2H、1T两种可能的晶型,两者间可通过S原子层的横向滑动来相互转化。晶体结构对称性和Mo原子配位环境的改变,造成MoS₂电子性能的变化,例如,2H、3R相具有半导体特性,1T相则呈金属特性^[33⇓~35]。

3 二硫化钼析氢电催化剂研究

3.1 MoS₂析氢活性的理论发现与实验验证

MoS₂析氢电催化活性研究最早可追溯至20世纪70年代,当时研究发现MoS₂催化HER的起始电位约为-90 mV vs RHE(相对于可逆氢电极),Tafel斜率高达692 mV·dec^-1^[36]。因HER催化活性差,MoS₂在其后相当长时期内并未受到研究者的关注。直至2005年Nørskov等^[37]报道了颠覆性的理论研究发现令这一局面得到改观。密度泛函理论(DFT)计算表明,在氢(H)覆盖度为50%的条件下,位于MoS₂(100)晶面的Mo位点的H吸附自由能(ΔG_H*)高达1.92 eV,而位于其边缘的Mo位点的ΔG_H*仅为0.08 eV,接近Pt的H吸附自由能(ΔG_H*= -0.09 eV)。该计算结果在解释了体相MoS₂析氢电催化活性差这一现象的同时,首次预测了MoS₂颗粒边缘的不饱和配位Mo原子为HER活性位,由此推测纳米结构的MoS₂有望成为高活性HER催化剂。

Nørskov等的理论预测随即得到了实验证实。Chorkendorff等^[38]采用物理气相沉积法在Au(111)基底表面沉积MoS₂纳米颗粒,随后采用扫描隧道显微镜(STM)测量了MoS₂纳米颗粒的面积及边缘长度,进而研究其与HER催化活性的关联性。结果表明(如图2所示),MoS₂的HER催化活性与样品颗粒的边缘长度成线性关系,而与面积无关,由此确证了MoS₂纳米颗粒边缘提供HER活性位,自此开启了MoS₂析氢电催化剂的研究热潮(如表1所示)。

3.2 改性策略之增多边缘活性位

在确证不饱和配位Mo原子为HER活性位之后,通过结构调控来增多活性位点自然成为MoS₂改性的首选策略。得益于纳米材料制备与表征技术的快速发展,各国学者在MoS₂纳米尺度调控方面迅速取得了喜人进展,这首先体现在低维MoS₂材料的成功合成。Wilkinson等^[39]以MoO₃和硫(S)粉为起始原料,采用球磨结合高温热处理方法制得了高边缘/基面比的MoS₂纳米片,该材料因拥有高密度边缘活性位点,其HER活性远高于体相材料(如图3a~c所示)。Yang等^[40]采用化学气相沉积方法在n-型Si基底表面生长一维单晶MoS₂纳米带阵列,因MoS₂纳米带的(001)面与基底呈垂直取向,其顶部暴露外表面全部为边缘活性位。将该纳米带材料用于催化HER,达到20 mA·cm^-2电流密度所需的过电位为170 mV,显著优于二维单层MoS₂材料。Gopalakrishnan等^[41]采用改进的液相剥离方法在MoS₂少层纳米片上修饰MoS₂量子点,通过构建此异维纳米结构大幅度增加了活性位点密度,从而显著降低了HER起始电位。此外,Xu等^[42]结合超声和溶剂热法合成了平均粒度约3 nm的零维MoS₂量子点,与参比样品的比较同样证实了活性位数量对HER活性的重要影响。

研究表明,利用纳米工程策略控制合成具有特定形貌或缺陷结构的MoS₂同样可以增多不饱和配位Mo原子的数量,借此提高催化活性。Cui等^[43]以电子束蒸发制得的超薄Mo膜(厚度约5 nm)和S粉为原料,采用快速硫化方法在玻璃碳基底上生长出与基底呈垂直取向的MoS₂片层阵列,该阵列材料拥有丰富的边缘活性位点,其交换电流密度较MoS₂纳米颗粒提高约1个数量级(如图3g~i所示);Ye等^[55]分别采用氧等离子体刻蚀和高温还原热处理方法在MoS₂片层上引入裂纹和孔洞,以增加不饱和配位原子的数量。研究发现,相比于氧等离子体刻蚀,还原热处理方法引入缺陷的效果更佳,因而制得样品具有更为优异的HER活性(如图3d~f所示)。相比上述工作,Jaramillo等在MoS₂纳米尺度形貌控制方面的工作更富创意。他们^[6]结合硬模板法、蒸发诱导自组装、电沉积和硫化等方法成功合成了具有双螺旋形貌和介孔结构特征的3D大尺寸MoS₂薄膜。高曲率表面的构筑,加之3D多孔结构,赋予了材料丰富的边缘活性位点。但受限于材料较差的导电性,具有新奇结构的MoS₂催化剂的析氢过电位仍高达220 mV(对应10 mA·cm^-2电流密度)。

在聚焦Mo活性位点的同时,S位点的催化功能也逐渐进入研究者的视野。在MoS₂催化剂暴露的大量边缘位中,S占有较大比重,如能赋予其催化功能,可进一步提高MoS₂催化剂的HER活性^[56,57]。Chorkendorff等^[57]研究发现,在MoS₂晶格中掺入Co原子,可令S边缘位点的ΔG_H*大幅度降低(由0.18 eV降至0.10 eV),接近于Mo边缘位点的ΔG_H*(0.08 eV)。但截至目前,成功构筑Mo/S双重边缘活性位的实验报道较少,其可行性仍有待确证。

3.3 改性策略之导电性提升

根据理论预测^[37],MoS₂在酸性条件下具有媲美贵金属Pt的HER本征活性,但实测的表观活性却远低于Pt。究其原因,MoS₂的导电性差是制约其电催化性能的重要因素,如能同时解决活性位点数与导电性问题,MoS₂的HER催化性能有望得到大幅度提升。针对此问题,各国研究者提出了导电基底复合、异质原子掺杂、晶型控制和结构调控等多样化的解决方案。

将电催化材料与导电基体复合以提高导电性是电催化剂改性的常用策略。在导电基体的选择方面,碳材料因其良好的导电性与优异的化学稳定性成为首选。Dai等^[44]采用简单的溶剂热法在还原氧化石墨烯(RGO)上生长高分散的MoS₂纳米颗粒(如图4a所示),得益于RGO导电网络的构建及其与MoS₂颗粒间的良好电接触,该复合电催化剂具备快速电子传输性能。同时,引入RGO基底可有效避免MoS₂纳米颗粒的团聚,从而暴露出更多的边缘活性位点。由此,MoS₂/RGO复合电催化剂表现出优异的HER催化性能,10 mA·cm^-2下的过电位仅为150 mV,Tafel斜率约为41 mV·dec^-1(如图4b,c所示)。此外,多孔碳^[58]、碳纳米管^[59]、碳布^[60]等多种碳材料被广泛用于MoS₂催化剂改性,均取得了良好的HER活性改善效果。除碳材料外,引入其他高导电基体也可有效提升MoS₂催化剂的HER活性^[45,61,62]。Chen等^[45]采用预沉积MoO₂结合后续硫化的方法在碳布表面生长具有核-壳结构的MoO₂@MoS₂复合催化剂(如图4d所示)。研究发现,控制硫化条件是优化HER活性的关键,硫化程度过低导致MoS₂活性相生成量不足;过度硫化则造成MoO₂的大量消耗,影响催化剂的导电性与HER活性,由此凸显出导电基体在MoS₂催化HER中的重要作用(如图4e,f所示)。

异质原子掺杂也是一种改善MoS₂导电性的有效方法,其内在机理在于调变MoS₂的电子结构。Xie等^[46]的理论研究表明,在MoS₂晶格中引入O原子可使Mo的d轨道和S的p轨道杂化增强,由此导致MoS₂的能带带隙变窄,导电性提高;Bollinger等^[63]研究发现,MoS₂的边缘位点具有良好的导电性,远高于基面的导电性。受此启发,Xiao等^[47]认为通过原子掺杂提高MoS₂基面的导电性是提升HER催化活性的重要途径之一。研究发现,MoS₂基面中掺入N原子会造成费米能级附近的Mo 3d-S 2p-N 2p杂化增加,诱导基面上的电荷均匀分布,由此提高基面的导电性,这一点得到了实验结果的初步证实。

在关注基面导电性的同时,提高MoS₂片层间的电子跃迁效率也是MoS₂电催化剂改性的可选途径。MoS₂的基面电导率远高于层间电导率^[28,27],研究者多关注前者,忽视后者。对此,Yu等^[64]提出了不同的见解。他们采用化学气相沉积(CVD)方法制得少层MoS₂,并通过控制前驱体量实现了片层数量的精确调控。研究发现,MoS₂的HER活性具有明显的层数依赖性,每增加一个MoS₂片层,其析氢活性降低约4.47倍。他们认为,此性能-层数关联性源于层间电子跃迁,因而提升层间电子跃迁效率是提高MoS₂析氢活性的关键,具体可通过金属原子或离子插层来实现(如图4g所示)。

MoS₂丰富的晶体结构也为改善导电性乃至提升电催化性能提供了改性空间^[33⇓~35]。相比于半导体特性的2H相,具有金属特性的1T相显然更适合用作电催化剂,这一点得到了实验的证实。Voiry等^[65]系统对比研究了2H-MoS₂与1T-MoS₂的HER催化活性。研究表明,1T-MoS₂表现出更高的HER催化性能,10 mA·cm^-2电流密度下的过电位较2H-MoS₂降低约100 mV(如图4h,i所示)。一方面,1T相良好的金属导电性加快了反应过程中的电荷转移速度,另一方面,1T相更多的基面活性位增加了反应场所的数量。然而,1T-MoS₂似乎难以采用常规方法直接合成,此前研究者多采用相变法来获得1T相,即以热力学稳定的2H相为前驱体,采用离子插层^[30]、元素掺杂^[66]、电子束扫描^[35]和机械应变^[67]等方法来促成其向1T相转变。Lukowski等^[30]采用锂插层化学剥离法制得了1T-MoS₂纳米片,在未实现2H→1T相完全转变的情况下,催化剂表现出较优异的HER催化活性,析氢过电位为187 mV(10 mA·cm^-2电流密度),较纯2H相降低约130 mV;Deng等^[48]利用N掺杂与PO₄^3-插层的协同作用来促成MoS₂的2H向1T相转变,同时引入表面修饰石墨烯纳米片的碳布基体以提高比表面积与导电性。虽然相变率只有41%,但制得催化剂的析氢过电位仅为85 mV(10 mA·cm^-2电流密度),Tafel斜率约为42 mV·dec^-1。他们认为:同时引入N和PO₄^3-可在诱导MoS₂相变的同时调变催化活性相的电子结构,降低活性位点的氢吸附自由能,即催化剂性能优异的主要原因在于本征活性与导电性改善。最近,1T-MoS₂合成取得了重要进展,研究者采用水热法^[49]和声化学辅助还原法^[68]等方法合成出高纯度的1T-MoS₂。这些成果无疑将推动MoS₂析氢电催化剂研究,但亚稳相本质所带来的稳定性问题仍令其应用面临挑战。

3.4 改性策略之构筑基面活性位

对于MoS₂析氢电催化材料,边缘活性位为人所熟知,而占据数量优势的基面原子却呈催化惰性(ΔG_H*≈ 1.92 eV)^[37]。如能在增多边缘活性位数量和提高催化剂导电性的同时,采取有效方法激活基面原子,令其具有催化活性,有望大幅度提升MoS₂的HER催化活性。

运用表面缺陷工程策略构筑基面活性位是发展高性能MoS₂电催化剂的一条崭新途径。2016年,Nørskov和Zheng等^[50]率先从理论和实验角度揭示了该途径的可行性。理论计算发现,在MoS₂晶格中引入S空位,可在费米能级附近的能隙中形成新的局域电子态,导致近邻Mo原子直接吸附H,且其H吸附强度随S空位数量增加而增强。如此,引入基面S空位将成为构筑活性位与优化其活性的一体化方法。

在验证实验中,他们应用湿化学法将CVD法制得的单层2H-MoS₂转移到金纳米锥上,通过毛细作用力在MoS₂膜层产生拉伸应变;采用Ar等离子刻蚀在MoS₂基面上引入S空位。测试结果表明,引入S空位可构筑高活性位;单纯利用弹性应变仅可起到活性改善效果,两者结合使用可显著提升HER催化活性。此工作迅速引发了各国学者对于MoS₂基面缺陷结构的研究兴趣,其后多种简单的S空位引入方法相继见诸报道^[51,69]。但受限于输入能量高和加工动力学不可控等因素,传统方法在引入空位的同时易形成孔洞和裂纹等多维缺陷,难以准确评价空位的改性效果。针对此问题,Zhang等^[52]提出了一种简单的H₂O₂化学刻蚀法(如图5a所示),通过改变刻蚀时间、温度及刻蚀剂浓度等条件实现了MoS₂基面单原子S空位浓度与分布的精确调控,为深入研究S空位的改性效果与机理提供了材料与方法基础。研究表明,S空位近邻Mo原子的电子离域化是激活HER活性位的关键;同时,电子离域化还带来导电性改善的附加效益。经优化制备条件,可将MoS₂基面的单原子S空位浓度提高至12.11%(接近理论预测优化值12.50%),其达到10 mA·cm^-2下的析氢过电位仅为131 mV,Tafel斜率约为48 mV·dec^-1。

受到S空位缺陷激活MoS₂惰性基面的启发,Wang等^[70]通过第一性原理理论计算比对研究了16种结构缺陷(空位、晶界等)的电子结构与HER催化行为。计算结果表明,其中的6种结构缺陷均可能成为HER催化活性位点。He等^[71]采用Au量子点辅助气相沉积法合成了具有超高晶界密度的MoS₂薄膜,证明了晶界结构缺陷可提供HER催化活性位(如图5b~d所示)。Zhu等^[53]发现MoS₂的2H-2H畴界和2H-1T相界均具有HER催化功能。通过多层次畴界/相界设计,单层MoS₂仅需136 mV的析氢过电位即可达到10 mA·cm^-2电流密度(如图5e~g所示),且在长达200 h的酸性条件耐久性测试中未见明显的性能衰退。此外,杂质原子也可作为有效的HER反应位点。TapasztÓ等^[72]利用MoS₂的环境自发氧化获得了具有高结晶度的MoS_2-XO_x置换固溶体,并实验观测到氧化导致材料的HER活性提高。他们认为,O原子的替代加之O原子更高的电负性加强了O活性位点上的H吸附能力,使其表现出可观的催化活性。

4 MoS₂析氢电催化剂研究的几点启示

(1)纵观MoS₂析氢电催化剂的研究历程,理论计算发挥了至关重要的引领与推动作用。从缺陷活性位的理论预测,到异质原子掺杂提高导电性,再到惰性基面激活,理论计算都在引领着实验研究往正确的方向前行;另一方面,理论解析MoS₂的电催化改性机理也为优化材料成分设计提供了前提与基础,推动着材料研究效率的提升与研究类型由“经验型”向“设计型”转变;

(2)材料制备与表征技术的进步有力推动了电催化材料研究发展。得益于纳米材料制备技术的快速发展,大量具有低维或新奇结构的MoS₂材料被成功合成,原子尺度精细调控材料的成分或缺陷结构也已成为现实,这些都为电催化剂的改性拓展了广阔空间。与此同时,电子显微、同步辐射和原位表征等先进表征技术的应用,为获取材料原子尺度的成分与结构信息,探寻表面成分/构型-电子结构-表观催化性能的内在关联提供了现实可行性。

(3)多要素协同改性是研发高活性电催化剂的关键^{[48,54,62,73,74]}。本征活性、活性位点数和导电性是影响电催化性能的三个要素,单纯解决某一方面问题通常难以实质性改善催化剂的表观性能。在MoS₂电催化剂优化设计与可控合成研究中,需要综合运用增多边缘活性位、提升材料导电性、构筑基面活性位等改性策略,并力求通过简单易行的制备方法来实现多要素协同改性。

5 结论与展望

MoS₂是迄今研究最为深入的非贵金属析氢电催化材料,纵观其研究历程,机理认识指导下的改性方法探索始终占据着主导地位,这种“理性研究”模式的运用从一个侧面折射出未来催化剂研究乃至新材料发展的主流趋势。在MoS₂析氢电催化剂研究中,各国学者综合运用纳米结构调制、异质原子掺杂、缺陷工程和相结构调控等改性策略来增多边缘活性位点、提高导电性、构筑基面活性位,有效改善了材料的HER催化活性。但从实用角度,MoS₂析氢电催化剂仍存在以下问题亟待解决:

(1)1T-MoS₂具有较高的本征活性和良好的导电性,且其材料合成也取得了积极进展;但热力学亚稳相的本质造成1T相结构不稳定的固有缺点,如何提高1T相在长时间电化学操作条件下的稳定性是决定其实用性的关键;

(2)原子尺度精细调控表面成分与缺陷结构是提高MoS₂电催化剂的本征活性与导电性的主要途径。目前,此方面的研究尚处于起步阶段,能否发展出简单易行的精细调控技术是决定MoS₂电催化剂实用性的另一关键因素;

(3)应用现有改性方法已实质性改善了MoS₂的HER催化性能,但仍远低于贵金属Pt。鉴于MoS₂基面位点活性差、层间导电性低等固有缺点及单相材料的成分/结构调变空间有限的特点,构筑MoS₂基多相复合电催化材料可能是未来研究的主流趋势。

参考文献

原文顺序 | 出版日期 | 本文引用

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