纳米二硫化钼的结构设计与催化制氢性能研究

This project focuses on the basic problems related to the conflict between high efficiency and catalyst-cost in electrochemical hydrogen evolution from water. Based on the mechanism of hydrogen evolution reaction, we herein propose the promising study on low-cost molybdenum-disulfide nanostructures with abundant catalytic properties and tunable structural features. The novel strategies dealing with molybdenum-disulfide facet-engineering and polymer-hybrid structures are employed to effectively reduce the overpotential and thus significantly increase the efficiency for H2 evolution. After the investigation into the performance over catalysts with various structures, the catalytic mechanism associated with the facet distribution, electronic properties and conductivity will be uncovered. Meanwhile, a series of Mo-based nanocatalysts of carbides and nitrides are developed on the basis of the insightful study on MoS2 catalytic mechanism, which are potential to replace the precious metal catalysts limited by their high cost and low abundance. Owing to the systematic research on catalyst design and catalytic performance, this research exhibits remarkable significance for both the design of metal-nonoxide-based catalysts and their further applications in hydrogen evolution.

电解水制氢反应严重依赖造价昂贵的贵金属催化剂，制氢效率与催化剂成本呈对立关系，本项目针对该矛盾及相关的内在科学问题开展研究。以性质丰富、成本低廉的纳米二硫化钼作为主要研究对象，在对电催化制氢反应原理深入认识的基础上，通过晶面设计、导电性杂化结构构建等策略降低催化剂析氢过电位，提高制氢效率；研究纳米二硫化钼的结构设计和调控原理,揭示催化剂晶面取向、电子结构和导电性等关键特征对电催化制氢反应的影响机制；并由此推广到钼基氮化物、碳化物等催化剂的设计，发展一系列新型钼基制氢催化材料，实现高效催化与低成本工艺的协调统一。本项目研究将揭示金属硫化物催化剂结构与性质的调控机制，深化钼基产氢催化剂的作用原理，丰富纳米催化剂设计思想，具有重要的学术价值和良好的应用前景。

作为新兴的非贵金属电催化剂，纳米MoS2是近年来的研究热点；如何通过结构优化，提高MoS2的活性位丰度和强度，是发展高效催化剂、研究催化作用机制的关键。本项目按计划执行，完成设定的研究目标。主要包括：①对MoS2的表面结构调控规律进行了系统研究，设计一系列高活性MoS2电催化剂，提出了有效的控制方法。工作通过“微波场下反应物分子自保护”策略，利用过量硫源（如硫脲）对MoS2的强吸附作用在合成过程中保护活性位，提高催化剂活性位丰度；利用原位多糖模板的空间限域作用，构筑MoS2超薄纳米片，充分暴露高活性的rim-site活性位，同时提高活性位的丰度和强度。②研究MoS2复合材料的多级结构，揭示多活性位界面的形成规律和电催化协同促进机制。工作基于导电性良好的泡沫镍基底，构筑MoS2-Ni3S2纳米棒等，利用多级纳米结构强化界面相互作用，提高电催化析氢、析氧和全电解水的活性。③明确钼基碳化物电子性质的调控规律，研究表面电子状态与氢结合能、电催化析氢动力学的关系。针对碳化物表面较高的d空轨道密度，工作在构筑高活性纳米结构的基础上，采用异原子掺杂、异质纳米界面构建等策略，优化活性位氢结合能，提升析氢动力学和催化活性。④拓展研究金属硫、碳化物的类贵金属电子性质和催化应用，揭示该类催化剂载体的金属-载体相互作用。⑤项目共发表标注论文23篇、2部英文专著中的2个章节，申请相关专利3件；参加了16th International Catalysis Congress (Beijing)、PRiME 2016 - 230th ECS Meeting (Honolulu)、2nd International Conference on Advanced Energy Materials (London)、1st Sino-German Symposium on Colloid and Interface Materials (Beijing)，第29届中国化学会年会（北京）、第18届全国催化学术会议（天津）、第19届全国电化学会议（上海）等会议。（7）项目执行期间，培养研究生15名，7人已获学位，2篇论文入选校级优秀学位论文，5人次获国家奖学金，1人获广东省优秀学生。