氫具有高熱值且其燃燒產(chǎn)物是無污染的，是最有希望代替化石燃料的清潔能源。以可再生能源為動力的電解水是大規(guī)模制備高純度綠氫的最有前景的方式，但電極反應(yīng)動力學緩慢。因此，高效電催化劑的開發(fā)對于促進大規(guī)模電解水制氫技術(shù)的發(fā)展具有重要意義。層狀MoS2具有成本效益和優(yōu)異的催化性能，被認為是最有希望取代鉑的HER催化劑。表面工程和界面工程可以誘導MoS2具有新的理化性質(zhì)，從而大大提高MoS2的HER活性。
近日，北京化工大學于樂教授團隊和上海大學袁帥教授團隊詳細總結(jié)了表面和界面原子分子工程用于提高二硫化鉬（MoS2）基材料催化劑的析氫催化活性的最新進展。重點探討了應(yīng)用缺陷、摻雜、應(yīng)變、原子調(diào)控、納米結(jié)構(gòu)、層間調(diào)控、復合材料、異質(zhì)結(jié)構(gòu)、相調(diào)控、電子結(jié)構(gòu)工程優(yōu)化MoS2催化性能的代表性工作。此外，還對改性的MoS2催化劑在大規(guī)模應(yīng)用中存在的一些問題進行了討論。
MoS2催化劑的結(jié)構(gòu)/組成設(shè)計策略示意圖
表面工程
表面工程是通過改變材料表面附近的微觀結(jié)構(gòu)或成分來改善與表面有關(guān)的材料性能。二維材料有著原子尺度的厚度，幾乎所有的原子都被暴露在表面上。因此，通過在材料中引入單個原子、缺陷和應(yīng)變，或在表面構(gòu)建分子自組裝層，可以更有效地修改表面結(jié)構(gòu)。本文將從缺陷、摻雜、應(yīng)變、原子級別調(diào)控和納米結(jié)構(gòu)五個方面介紹表面改性策略。
界面工程
通過活性組分與載體之間的界面工程實現(xiàn)復合結(jié)構(gòu)，也可以提高電催化劑的活性和穩(wěn)定性。界面工程可以改變局部的配位環(huán)境和電子結(jié)構(gòu)，產(chǎn)生調(diào)節(jié)中間吸附、控制電荷轉(zhuǎn)移和傳質(zhì)以及防止催化劑團聚的作用，從而加速催化過程。通過界面工程開發(fā)電催化劑具有極大的改善電化學性能的潛力，這使其成為電催化領(lǐng)域的研究熱點。本文將從層間調(diào)控、相調(diào)控、復合材料、異質(zhì)結(jié)構(gòu)和電子結(jié)構(gòu)調(diào)控五個方面介紹界面改性策略。
結(jié)論與展望
本文針對MoS2在電催化應(yīng)用中面臨的關(guān)鍵問題，從表面工程和界面工程兩方面綜述了近年來改善MoS2析氫性能的改性策略。雖然這些策略有效地提高了MoS2的催化性能，并取得了長足的發(fā)展和矚目的成就，但將MoS2投入實際工業(yè)應(yīng)用仍存在一些問題，如：
1、在實際應(yīng)用中，催化劑必須具有優(yōu)異的長期穩(wěn)定性和較強的耐腐蝕性，這就要求材料具有超強的電催化穩(wěn)定性。
2、一些改性策略的反應(yīng)條件嚴格且復雜，不易實現(xiàn)改性MoS2的批量生產(chǎn)。
3、改性MoS2催化劑HER的活性雖然明顯提高，但在堿性介質(zhì)中仍難以超過貴金屬Pt。
論文信息
Surface and interface engineering strategies for MoS2 towards electrochemical hydrogen evolution
Yiming Ding, Nian-Wu Li, Shuai Yuan, Le Yu
文章第一作者為北京化工大學碩士研究生丁一明
Chemistry – An Asian Journal
DOI: 10.1002/asia.202200178
