二维层状过渡金属二硫属化合物基面活性位点的激活及电/光催化析氢反应研究

Two-dimensional layered transition metal dichalcogenides with generalized formula of MX2 (M=Mo, W, Re, etc.; X=S, Se or Te) as promising electrocatalysts for hydrogen evolution reaction (HER) are known to have catalytically active edge sites and inert basal planes. Therefore, activating and optimizing the MX2 basal planes could effectively enhance their HER activity. However, so far, all of the methods for enhancing the catalytic activity of MX2 through structural engineering are performed during the synthesis of MX2, and few methods have been explored to directly improve the HER in pristine or commercial MX2 materials. In this research proposal, we present an approach to enhancing the catalytic activity of MX2 through controlled creating a high density of active Mo-edge sites within pristine MX2 layers by selective steam etching. The study in this research proposal includes the following parts: (1) Investigation of the effect of steam etching on the surface structure of MX2; (2) Exploration of the etching mechanism of steam etching of MX2; (3) Characterization of the effect of new created edge sites into MX2 on the HER catalytic activity. The present research will open up a new facile method to improve the HER in pristine and commercial MX2 materials, and will also deepen our understanding of the catalytic mechanism in MX2 and provide scientific guidance for further promoting the practical application of MX2 based catalysts in the field of catalysis.

二维层状过渡金属二硫属化合物MX2(M=Mo, W, Re 等; X=S, Se, Te)作为潜在的析氢反应催化剂具有催化活性的边缘位点和催化惰性的基面。因此，激活MX2基面的催化活性可以有效地增强MX2的催化性能。然而，到目前为止，所有通过结构设计来增强MX2催化活性的方法都是在合成MX2的过程中实现的，很少有方法被用来直接增强天然的或商用MX2的催化活性。本项目拟采用水蒸汽刻蚀技术，选择性地刻蚀MX2的催化惰性基面，在MX2的表面引入活性边缘位点，从而实现增强MX2的催化性能。具体研究包括: (1) 水蒸汽刻蚀对MX2表面结构的影响；(2) 水蒸汽刻蚀MX2的刻蚀机制研究；(3) MX2新增边缘位点对析氢反应催化活性的影响。本项目的开展为改善天然的或商用MX2的催化性能提供了新的研究思路，同时也将加深人们对MX2的催化机制的理解，为进一步促进MX2在催化领域中的实际应用提供科学指导。

电化学水分解的效率取决于所使用的催化剂的活性。因而，开发高效稳定的电化学反应催化剂将有助于能源结构的快速转变，提升清洁能源的有效利用。本研究针对当前过渡金属基电化学反应催化剂的研究现状，利用水蒸汽刻蚀、微观形貌控制、异质原子掺杂、碳材料复合等技术手段，致力于高效过渡金属基复合催化剂的设计合成及其电化学析氢反应性能研究。主要开展了以下研究工作：1) 发展了水蒸汽刻蚀技术，实现了对二硫化钼基面的可控刻蚀，成功引入了边缘活性位点，增强了二硫化钼的析氢反应催化活性。2) 以腺嘌呤和三氧化钼为前驱体设计合成了氮掺杂碳材料包覆的钴掺杂碳化钼一维纳米棒催化剂和氮掺杂磷化钼一维纳米棒催化剂。钴元素的引入，不仅提高了催化剂的活性，同时促成了碳材料包覆的核-壳结构的形成，使其催化活性及稳定性进一步得到了提升。3) 通过离子液体辅助合成的方法，制备了氮、磷共掺杂碳材料包覆的一维多级结构磷化钼。其独特的一维多级结构可以实现更多表面活性位点的暴露，加之氮、磷共掺杂碳材料的复合，使其可以在宽pH范围的电解质中实现高效催化析氢反应。4) 基于“金属-载体强相互作用”，设计合成了氮掺杂空心碳壳载体负载超低含量钌复合催化剂。空心碳壳材料对表面耦合金属的稳定作用，使其表面负载的钌纳米粒子具有较高的密度、超小的粒子尺寸和优异的结构稳定性。在酸性电解质中催化析氢反应时，非常接近铂基催化剂。本项目的研究结果将加深人们对过渡金属基析氢反应催化剂催化机制的理解，为改善过渡金属基催化剂的催化性能以及设计合成新型的催化剂提供新的研究思路，同时也将为进一步促进过渡金属基催化剂在析氢反应催化领域中的实际应用提供科学指导。