近日，中国科学院合肥物质科学研究院固体物理研究所环境与能源纳米材料中心在双功能全水分解电催化剂研究方面取得新进展。 研究人员发明了一种共价掺杂方法，通过将二硫化钼（MoS2）与钴（Co）共价掺杂，使其充分发挥分解水性能，得到了性能优异的二硫化钼基双功能电催化剂。 相关成果发表在国际期刊《 》和《 》上。
可再生电力驱动的电催化水分解被认为是利用丰富的水资源生产清洁氢燃料、支持能源安全和减少排放的最有前途的方法。 目前电催化剂的研究主要集中在开发具有单一析氢反应（HER）或析氧反应（OER）的单功能电催化剂。 然而，在单一催化剂内同时实现双功能面临着巨大的挑战，并且双功能活性位点的协同催化机制尚不完全清楚。 例如，在MxNy催化剂中，M（M=铁、钴、镍等）是OER的催化活性位点，N（N=硫、磷等）是HER的催化活性位点，其中是从理论和实验研究中获得的。 已验证。 然而，所获得的电催化剂通常在碱性介质中表现出较高的OER活性但较低的HER活性，在酸性介质中表现出较高的HER活性但较低的OER活性。 因此，未来实现高性能电催化水分解和制氢的关键是获得具有高活性的双功能（析氢反应（HER）和析氧反应（OER））电催化剂。
众所周知，层状二硫化钼是典型的HER活性电催化剂，但OER活性较差。 通过将3d过渡金属硫化物、氧化物和氢氧化物与二硫化钼偶联杂化，利用3d过渡金属基活性成分提高二硫化钼电催化剂的OER活性，有望实现HER和OER双功能二硫化物的制备。 钼基电催化剂。 研究表明，在二硫化钼中掺杂3d过渡金属元素（如铁、钴、镍）可以有效改变二硫化钼的电子结构，调节钼（Mo）的电子密度，降低其氢吸附自由度，可以实现高HER表现。 然而，通过3d过渡金属元素掺杂方法将活性组分引入二硫化钼中诱导全水分解双功能的研究尚未见报道。
为此，研究人员发明了一种共价掺杂方法，通过钴掺杂来诱导二硫化钼充分发挥水分解性能。 在优化钴掺杂比例的基础上，得到了性能优异的二硫化钼基二硫化钼。 Co-MoS2/BCCF-21（BCCF：细菌纤维素热解衍生的碳纤维）双功能电催化剂。 结果表明，这种双功能电催化剂在 1.0 M KOH 中的 HER 和 OER 起始电位分别为 -0.02 和 1.45 V。 值得一提的是，最佳的Co-MoS2/BCCF-21催化剂可以在48、132、165 mV和260、350、390 mV的低HER和OER过电势下提供10、100和200 mA cm-2。 高电流密度。 这种具有优异双功能催化活性的电催化剂直接用作全水分解的阳极和阴极，分别以9.1和4.5 μmol min-1的速率产生氢气和氧气，法拉第效率接近100%。
理论计算和同步辐射实验结果进一步表明，将钴（Co）共价掺杂到二硫化钼（MoS2）中不仅显着提高了其HER性能，而且还具有优异的OER活性。 相关成果发表在《 》（Adv. Mater., 2018）上。 同样采用共价掺杂方法，制备的钴（Co）掺杂二硫化钼（MoS2）纳米片结构催化剂在酸性和碱性电解液中均表现出优异的HER和OER双功能催化活性，并且具有充分分解水并生成水的能力。氢。 潜力巨大，相关成果发表在《化学通讯》(Chem. ., 54, 3859-3862 (2018))上。 研究结果表明，该方法具有普适性，也适用于实现其他过渡金属二硫属化物的双功能化。 相关研究为制备双功能二硫属化物基电催化剂提供了一种新的有效方法。 。
该工作得到国家自然科学基金、中国科学院百人计划、中国科学院创新研究团队国际合作项目的资助。
图：（af）材料结构表征； (g) HER 和 OER 绩效； (h、i)活动机制说明