科研人員制備出Co摻雜MoS2雙功能全分解水電催化劑

近期，中國科學院合肥物質科學研究院固體物理研究所環境與能源納米材料中心在Co摻雜MoS₂雙功能全分解水電催化劑催化活性調控方面取得進展，相關研究成果發表在國際期刊《先進材料》（Adv. Mater., 2018)和《化學通訊》（Chem. Commun., 54, 3859-3862 (2018)）上。

可再生電能驅動電催化分解水已被認為是從豐富的水資源生產清潔氫燃料、支撐能源安全和減排最有前途的方式，而實現高性能電催化分解水產氫的關鍵是獲得具有高活性的雙功能(析氫反應(HER)和析氧反應(OER))電催化劑。目前關于電催化劑方面的研究主要集中在開發具有單一析氫反應(HER)或析氧反應(OER)半反應的單功能電催化劑，因為在單一催化劑內同時實現雙功能性面臨巨大挑戰，而且雙功能活性位點的協同催化機制尚不完全清楚。研究表明，通過合金化、雜化和摻雜方法將多個活性組份整合到單一催化劑上，已被證明是實現全水分解雙功能催化活性的有效方式。例如，在M_xN_y催化劑中，M(M = Fe、Co、Ni等)是OER的催化活性位點，N(N = S、P等)是HER的催化活性位，從理論和實驗研究中都得到了驗證。然而，所獲得的電催化劑在堿性介質中通常表現出較高的OER活性，但HER活性較低，在酸性介質中HER活性較高，但OER活性較低。因此，在給定的電解質中，能夠在單一催化劑上創造雙功能催化活性位點，使其同時擁有較高的HER和OER雙功能性，將是一種最有效的策略，對于高效電解水制氫至關重要。

眾所周知，層狀MoS₂是一種典型的HER活性電催化劑，但具有較差的OER活性。而將3d過渡金屬硫化物、氧化物和氫氧化物與MoS₂耦合雜化，利用3d過渡金屬基活性成份來提高MoS₂電催化劑的OER活性，有望實現制備HER和OER雙功能MoS₂基電催化劑。已有研究表明，將3d過渡金屬元素(例如Fe，Co，Ni)摻雜到MoS₂中，可以有效改變MoS₂的電子結構并調節Mo的電子密度以降低其氫吸附自由能，進而獲得高HER性能。然而，通過3d過渡金屬元素摻雜方法將活性組份引入到MoS₂中來誘導全解水雙功能性研究尚未有報道。

為此，研究人員發明了一種共價摻雜方法，并基于此方法構筑了Co摻雜MoS₂電催化劑，通過Co的摻雜來誘導MoS₂的全解水性能。通過優化Co 摻雜比例，獲得了性能優異的MoS₂基(Co-MoS₂/BCCF-21)雙功能電催化劑。結果表明：這種雙功能電催化劑在1.0 M KOH中分別具有-0.02和1.45 V(vs. RHE)的HER和OER起始電位。值得一提的是，最優Co-MoS₂/BCCF-21催化劑能夠在分別為48、132、165 mV和260、350、390 mV的低HER和OER超電勢下分別提供10、100和200 mA cm^-2高電流密度。將這種具有優異的雙功能催化活性的Co-MoS₂/BCCF-21電催化劑直接用作全分解水陽極和陰極，產生H2和O2的速率分別為9.1和4.5 μmol min^-1，而且法拉第效率接近100%。理論計算及同步輻射實驗結果進一步表明，Co共價摻雜在MoS₂中不僅顯著提高了其HER性能，而且還誘導了優異的OER活性，相關結果發表在Advanced Materials (Adv. Mater., 2018)上。同樣利用共價摻雜方法，制備的Co摻雜MoS₂納米片結構催化劑在酸和堿電解質中均表現出優異的HER和OER雙功能催化活性，具有全分解水產氫的巨大潛力，相關結果發表在Chemical Communications (Chem. Commun., 54, 3859-3862 ( 2018))上。研究結果表明，該方法具有普適性，也適用于實現其它過渡金屬二硫族化合物的雙功能化，相關研究為制備具有雙功能的二硫族化合物基電催化劑提供了新的、有效的途徑。

該項工作得到了國家自然科學基金、中科院百人計劃和中科院創新研究團隊國際合作項目的資助。

圖：(a-f) 材料結構表征；(g) HER和OER性能；(h, i) 活性機理解釋。