二维催化制氢材料研究获重要进展

据能源材料化学协同创新中心新闻报道，近日iChEM研究人员大连化物所邓德会副研究员、包信和院士团队，与厦门大学田中群院士、陈明树教授以及英国曼彻斯特大学康斯坦丁•诺沃肖洛夫院士合作，在长期深入研究二维催化材料表/界面调控的基础上，成功实现了对二维硫化钼（MoS₂）原子晶体材料的多尺度结构和电子性质的调控，优化出的催化剂表现出优异的酸性电解水制氢性能，相关研究成果发表在《自然-通讯》上（Nature Communications, 2017, 8, 14430; DOI: 10.1038/ncomms14430）。

二维硫化钼因其独特的物理和化学特性，在光、电及传统多相催化中极具应用前景，引起了广大催化研究学者的关注。催化反应通常涉及多步、复杂的过程，比如电催化分解水制氢反应就存在气（H₂）、液（H₂O）、固（catalyst）三相界面，需要二维硫化钼催化剂不仅具有优异的本征活性，而且具有合适的表面结构。为了更加高效地催化该反应过程，需要对其结构和电子性质进行多尺度调控和优化，然而目前这方面的研究仍然是一个巨大的挑战。

基于此，该研究团队通过不断创新合成策略，利用“自下而上”的合成方法，通过二氧化硅纳米小球作为硬模板，采用一步化学合成法得到了均一的介孔泡沫状硫化钼材料。多种分析手段表明该结构实现了其三重尺度上性质的有效调控：（1）在宏观尺度上，均一的介孔孔道有助于反应物（H₃O+）和产物（H₂）的传输，更加亲水的表面有利于催化剂活性位的接触；（2）在纳米尺度上，介孔框架内定向垂直生长的硫化钼纳米片层提供了丰富的边缘催化活性位；（3）在原子尺度上，在前期将单原子催化剂引入二硫化钼骨架里的基础上（Energy Environ. Sci., 2015, 8, 1594），将过渡金属钴原子引入到硫化钼平面内，替代部分钼原子，可以有效修饰表层硫原子的电子结构，进而激发了表层硫原子的本征催化活性，且实验及理论计算表明存在一个适中的钴原子掺杂量（16.7%）使得催化活性调变至最优值。基于此多尺度调控得到的三维多孔硫化钼基催化剂表现出了优异的酸性电解水制氢性能，展示了替代贵金属催化剂的潜力。该工作提出的多尺度结构和电子性质调控的策略为二维硫化钼在催化领域的研究和应用提供了新的研究思路，也为其它类似的二维催化材料的设计和开发提供了借鉴。

以上研究得到国家重点研发计划、国家自然科学基金委、中科院前沿科学重点研究项目、中科院纳米先导专项和教育部能源材料化学协同创新中心（2011·iChEM）的资助。论文链接：https://www.nature.com/articles/ncomms14430。