Co促助1T/2H多型二硫化钼复合结构的功能化设计及其析氢性能研究

As one of the candidates to replace the noble-metal electrocatalyst of Pt for the hydrogen evolution reaction, molybdenum disulfide shows the advantages of low cost and abundant reserves. And how to obtain high-performance molybdenum disulfide hydrogen evolution catalysts is the key to realize the low-cost and highly effective hydrogen evolution. Considering the effective coordinated regulation among the amount and quality of active sites and the electronic transmission efficiency and adopting highly active and conductive monolayer 1T-MoS2 nanoflakes as supports, a novel Co promoted 1T/2H complex structure will be functionally designed and constructed in this project, in which 2H-MoS2 nanosheets with high active site density will be assembled directionally with monolayer 1T-MoS2 nanoflakes. And then, the contradiction can be eliminated between the high active site density and the excellent electronic transmission efficiency, and the relationship between complex structures and hydrogen evolution functions can also be clarified, resulting in a great improvement of the final hydrogen evolution performance. Moreover, the mechanism of hydrogen evolution reaction and performance optimization will also be discovered according to the first principle calculations and the relationship between complex structures and hydrogen evolution functions, providing the theory evidence for the development of highly efficient hydrogen evolution electrocatalysts. Consequently, this project is of great theoretical and practical significance in promoting the fast development of the hydrogen evolution technique and the exploration of highly efficient hydrogen evolution catalyst, and further motivating the low-cost production and large-scale application of hydrogen energy.

二硫化钼作为贵金属电化学析氢催化剂铂的替代材料之一，具有资源和成本优势，如何获得高性能二硫化钼析氢催化剂，是实现低成本高效制氢的关键。本项目基于活性位数量、质量及电子传输效率协同调控的设计思路，从结构功能化设计的角度出发，通过引入具有较高活性和良好电子传输效率的单分子层1T-MoS2纳米片结构作为载体，实现高活性密度Co促助2H-MoS2纳米片与1T-MoS2纳米片的定向组装，构筑Co促助1T/2H多型复合结构，解决高活性密度与良好电子传输效率之间的矛盾性、复合结构与析氢性能之间的相关性等关键科学问题，提高综合析氢性能。同时，基于复合结构与析氢性能之间的构效关系和第一性原理计算，揭示其析氢机制和性能优化机理，为开发高效电化学析氢催化剂提高理论依据。本项目的顺利开展，有助于促进制氢技术的快速发展和高效析氢催化剂的开发，推动氢能源的低成本制造和规模化应用，具有重要的理论和实践意义。

二硫化钼作为贵金属电化学析氢催化剂铂的替代材料之一，具有资源和成本优势，如何获得高性能二硫化钼析氢催化剂，是实现低成本高效制氢的关键。本项目基于活性位数量、质量及电子转移效率协同调控的设计思路，从结构功能化设计的角度出发，构筑Co促助的1T/2H多型二硫化钼复合结构，实现活性位的数量、质量及电子传输效率之间的有效协同调控，从整体上提高析氢性能。主要研究了反应温度、客体分子或离子以及Co助剂对二硫化钼物相成分和最终析氢性能的影响，分析了二硫化钼的相变机制及多相共存的协同机理。研究结果表明：客体分子或离子可以插入二硫化钼层状结构之间，引起层间膨胀和晶格畸变，形成1T相；随着反应温度的升高，一方面，客体插入所获的驱动力越大；另一方面，温度越高，所制备MoS2结晶度越高，客体插入阻力则越大。二者之间存在一个相对矛盾，在反应温度为200度时获得平衡，在此温度下，客体插入程度最高，所获1T-MoS2相对含量最高，为61.5 %。1T相含量越高，复合催化剂的析氢性能越好，主要归因于1T相不仅为金属性，可以极大提高电子传输效率，而且其基础面也具有析氢活性，可以提供额外析氢活性位。因此，在200度制备的多型二硫化钼具有最佳析氢性能，电流密度达到-10 mA cm-2时，所需过电位为-234 mV，而Tafel斜率仅为46 mV dec-1。助剂钴的加入能够促进二硫化钼中1T相的生成并使之稳定，从而改善电子传输效率并增加活性位点数量；此外，单个活性位点的本征催化活性也得到提高，进而提升整体的析氢性能。本项目的顺利开展，为开发高效电化学析氢催化剂提供了理论依据和技术原型，有助于促进制氢技术的快速发展和高效析氢催化剂的开发，推动氢能源的低成本制造和规模化应用，具有重要的理论和实践意义。