刘建军、黄富强等在二硫化钼析氢催化剂研究中取得新进展

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六方结构的二硫化钼（2H-MoS2）因其低成本、高活性被认为是极具应用前景的非贵金属基析氢反应（HER）催化剂。理论计算和实验研究表明，2H-MoS2的HER活性主要归因于费米能级附近可用于调节氢吸附强度的活性电子态。由于惰性基面和有限的Mo/S端边缘位置，本征2H-MoS2缺乏足够的活性电子态，限制了整体催化性能。虽然采用了如异质原子掺杂、缺陷工程、相变和畴边界构建等若干种激活和优化策略来调节活性电子态，但其电催化性能仍然不能与铂等贵金属相媲美。如何设计更有效的优化策略来最大化MoS2活性中心和调节活性电子状态，对于进一步提升MoS2电催化析氢性能至关重要。

电荷自调节效应调控活性电子态的示意图

　　近日，中国科学院上海硅酸盐研究所先进材料与新能源应用团队和计算电化学与材料设计团队共同合作研究发现，窄带隙半导体（Eg = 0.65 eV）的亚稳态三方1T'''-MoS2晶体结构中丰富的Mo-Mo金属键可作为电子库，调节费米能级附近的电子态，调控氢的吸附/解吸过程，优化HER活性。该团队提出了一种电荷自调节的新概念，通过引入硫空位调控1T'''-MoS2费米面附近的活性电子态。为了验证电荷自调节效应，该团队通过拓扑化学反应和化学蚀刻合成了富含硫空位的缺陷态三方1T'''-MoS2晶体（1T'''-MoS2-VS）。硫空位引入导致的悬挂键激活了Mo-Mo键；活化的Mo-Mo键通过电荷自调节效应调控了活性电子态，增强了硫和氢原子之间的相互作用，促进了质子吸附及HER活性。最优的1T'''-MoS2-VS在10 mA cm-2电流密度的过电势和塔菲尔斜率（158 mV和74.5 mV dec-1），远远优于有硫空位的2H-MoS2（2H-MoS2-VS: 369 mV和137 mV dec-1)。 该项研究表明层状过渡金属硫属化物中固有的金属-金属键能够调节活性电子态，从而实现高效的电催化析氢。
　　相关成果以“Charge self-regulation in 1T'''-MoS2 structure with rich S vacancies for enhanced hydrogen evolution activity”为题发表于Nature Communications期刊。上海硅酸盐所郭晓伟博士、宋二红副研究员和赵伟副研究员为论文共同第一作者。上海硅酸盐所刘建军研究员、黄富强研究员为论文通讯作者。该研究工作得到了国家自然科学基金、上海市科委等项目的资助和支持。
　　文章链接：https://doi.org/10.1038/s41467-022-33636-8.
        文章来源：上海硅酸盐所
       刘建军，中国科学院上海硅酸盐研究所研究员，博士生导师。2002年博士毕业于吉林大学理论化学研究所，2002年在德国马普所做访问学者，2003年1月赴美国Emory埃莫瑞大学的科学计算中心从事博士后研究工作，2005年后在美国南伊利诺伊大学做助理科学家，2012年开始在中国科学院上海硅酸盐研究所工作。主要利用材料基因工程理论方法研究无机材料的组成-结构-性能关系，开展材料结构设计与性能优化计算与实验研究。
        黄富强，上海硅酸盐所研究员，人社部百千万人才工程专家，国家杰出青年基金获得者、科技部重点领域创新团队负责人、国家重点研发计划首席科学家，中科院百人计划引进回国。围绕新能源材料的基础前沿及产业应用研究，取得的系列创新成果包括：1）发现了复杂晶体结构中原子基团的相似相聚特性，提出了多物理量协同的结构功能区新概念和堆积因子理论模型，发现了若干性能优异的新能源材料；2）提出了多尺度结构和性能的设计理论，发明了独特结构的类石墨烯和氮掺杂介孔少层碳，突破碳基双电层储能极限；3）发展出铜铟镓硒太阳能电池的低成本非真空新制备，完成兆瓦级中试，成功进行了示范电站的建立和运行。新型光电材料与器件的结构调控与性能优化项目，获上海市自然科学一等奖（2016年）、国家自然科学二等奖（2017年）。发表Science、Nature Mater.等在内的论文300余篇，他引13000余次，30余篇ESI高被引论文，入选2015、2016、2017年高被引学者。授权专利86项，其中13项专利许可费达1000万元。