科研进展 | MoS₂基电极材料在电催化析氢中的研究与应用
导语：
近日，化学与精细化工广东省实验室高端微反应器与流动化学研究组董正亚研究员团队在《International Journal of Hydrogen Energy》发表了一篇关于二硫化钼（MoS₂）基电极材料在电催化析氢反应（HER）中应用的重要综述文章，以“MoS₂基电极材料在电催化析氢方面的研究进展：从合成、表征到电催化性能优化策略（Research progress of MoS2-based electrode materials in electrocatalytic hydrogen evolution: from synthesis, characterization to electrocatalytic performance optimization strategy）”为题，系统总结了MoS₂基电极材料从合成、表征及电催化析氢性能优化策略方面的研究进展，为未来MoS₂催化剂的开发提供了重要指导。
研究背景
随着全球能源危机和环境问题的加剧，氢能作为一种清洁、高效的能源载体备受关注。电催化水分解制氢技术因其环保特性成为研究热点，而开发高效、稳定的催化剂是实现其工业化的关键。MoS₂因其独特的边缘活性位点和多样的相结构，被视为替代贵金属铂（Pt）催化剂的潜力材料。然而，MoS₂的惰性基面和较低的导电性限制了其催化性能。
要点解析
一、HER的催化机理及主要参数
催化机制：在HER过程中，电解质的pH值显着影响HER机制。在酸性电解质中，质子在催化剂的活性位点上被吸附并发生还原反应（Volmer步骤），形成吸附的氢和中间体。随后，氢可以通过电化学（Heyrovsky步骤）或化学方法（Tafel步骤）从催化剂上解吸形成H₂。当pH值从酸性变为碱性时，反应动力学会变差并减慢。在碱性电解质中，HER过程仍包括氢的吸附（Volmer步骤）和解吸（Heyrovsky或Tafel步骤），但Had是通过水的还原得到的，因此需要破坏HO-H键，导致HER速度比酸性电解质慢2到3个数量级。
评价参数：包括吉布斯自由能（ΔGH*）、过电位（η）、Tafel斜率、电化学活性表面积（ECSA）、电化学阻抗谱（EIS）、法拉第效率（FE）、周转频率（TOF）和稳定性等。
二、MoS2的简介
结构：MoS₂是一种二维层状材料，具有S-Mo-S三明治结构，存在金属性1T相和半导体性2H相等多种晶相。2H相单层为直接带隙（1.74 eV），随层数增加变为间接带隙；1T相因Mo 4d轨道未填满呈现金属性。通过掺杂、应变可调控相变，其独特的电子结构使其在光电器件和催化领域具有重要应用价值。
合成方法：自上而下法：机械剥离、液相剥离、化学插层剥离和电化学剥离。自下而上法：水热/溶剂热合成、化学气相沉积（CVD）等。
表征技术：包括SEM、TEM、AFM、XRD、XAS、XPS、拉曼光谱、UV-vis、PL、TGA和DSC等，用于分析MoS₂的形貌、结构和化学组成。
三、MoS₂的HER性能优化策略
结构工程：通过合成了具有不同形态结构（3D、2D和0D结构）的MoS2，以最大限度地暴露具有HER活性的边缘位点。
缺陷工程和掺杂工程：通过在MoS2的晶格中引入空位或杂原子来调节MoS2的电子结构，提高电子传输效率并实现对H的更好吸附。此外，空位或杂原子的引入激活了MoS2的惰性基平面，进一步增加了活性位点的数量。
应变工程：通过对MoS2层施加应变来调制其电子结构。
相工程：主要通过制备具有不同晶格结构的MoS2（例如具有更高的电子转移效率和更多的活性位点的1T相）来实现HER活性的增强。
异质结构工程：通过使用各种载体或其他催化剂结合MoS2构建异质结构，可以调整活性位点密度、电子结构和异质结构界面的协同效应，以增强MoS2的HER活性。
四、工业应用挑战
标准化测试体系缺失：标准化测试方案、最大限度地减少错误以及推进性能评估和表征技术对于评估催化剂性能至关重要。
规模化催化剂制备：化学气相沉积法产率低，水热法可控性差，需发展微反应器连续流合成等可放大技术，绿色工艺开发（如微波/等离子体辅助）迫在眉睫。
催化剂表征：混合相比例计算无统一标准（拉曼/XPS方法不一致），缺陷/掺杂位点的局部原子环境表征困难，亟需原位动态表征结合机器学习分析，揭示活性位点演变。
催化机理研究：碱性HER中水解离/吸附的协同机制不明确；应变、掺杂等多因素耦合效应需量化解析；计算模拟需结合多维描述符（ΔGH*、d带中心等）
开发多物理场耦合催化系统：光-电-磁多场耦合催化体系的协同机制研究仍属空白。
突破这些瓶颈需构建”AI预测-机器人合成-原位表征”的智能化研发平台，通过多学科交叉推动从基础研究到产业应用的全链条创新。
研究团队与资助
第一作者：苏瑞（中山大学）
通讯作者：董正亚、朱晓晶（化学与精细化工广东省实验室）
资助项目：化学与精细化工广东实验室启动项目（2011009、2111016和2221001）、广东省基础与应用基础研究基金（2021A1515110111）等。
论文链接：
