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近日，西北工業大學的徐飛教授在《Chemical Communications》上發表了題為“Engineering heterostructured Mo2C/MoS2 catalyst with hydrophilicity/aerophobicity via carbothermal shock for efficient alkaline hydrogen evolution”的論文。該研究通過超快速碳熱沖擊法合成了Mo2C/MoS2異質結構催化劑（Mo2C/MoS2-CP），并研究了其HER性能。研究發現，Mo2C/MoS2-CP催化劑具有優異的HER活性，在1 M KOH電解液中，過電位僅為191.4 mV，Tafel斜率為64.5 mV dec-1，優于MoS2、Mo2C和Pt/C等催化劑。此外，Mo2C/MoS2-CP催化劑還具有良好的穩定性，在100 mA cm-2的電流密度下，100小時內的過電位僅略有增加。該研究結果表明，Mo2C/MoS2異質結構可以有效提高催化劑的HER活性，Mo2C/MoS2-CP催化劑有望應用于氫能生產領域。
研究背景
隨著化石燃料的過度消耗導致的環境污染和能源枯竭問題日益嚴重，清潔能源的開發利用成為全球關注的焦點。氫能作為一種清潔能源，具有高能量密度和零碳排放的優勢，被認為是未來能源的重要發展方向。電化學水裂解制氫（HER）是氫能生產的重要途徑，其中HER催化劑的性能直接影響到氫能的生產效率。然而，目前商業化的Pt基催化劑價格昂貴且資源有限，限制了氫能的廣泛應用。因此，開發高性能、低成本的HER催化劑成為當前研究的熱點。
研究亮點
1. 超快速合成方法：利用超快速碳熱沖擊法，在2秒內快速合成Mo2C/MoS2異質結構催化劑，實現了高效、便捷的催化劑制備。
2. Mo2C/MoS2異質結構：構建的Mo2C/MoS2異質結構有效調節了Mo位點的電子結構，促進了電荷轉移，從而提高了催化劑的HER活性。
3. 優異的HER性能：Mo2C/MoS2-CP催化劑在1 M KOH電解液中表現出優異的HER活性，過電位僅為191.4 mV，Tafel斜率為64.5 mV dec-1，優于MoS2、Mo2C和Pt/C等催化劑。
4. 良好的穩定性：Mo2C/MoS2-CP催化劑具有良好的穩定性，在100 mA cm-2的電流密度下，100小時內的過電位僅略有增加。
5. 優異的表面性質：Mo2C/MoS2-CP催化劑具有優異的親水性和疏氣性，有利于電解質的快速潤濕和氫氣泡的及時釋放，從而加速了HER動力學過程。
圖文概覽
圖1：該圖展示了Mo2C/MoS2-CP催化劑的合成過程和形貌特征。圖1a是Mo2C/MoS2-CP催化劑合成過程的示意圖，通過超快速碳熱沖擊法，在碳紙上構建了Mo2C/MoS2異質結構。圖1b是Mo2C/MoS2-CP催化劑的掃描電子顯微鏡（SEM）圖像，可以看出催化劑表面分布著層狀MoS2納米片。圖1c是Mo2C/MoS2-CP催化劑的透射電子顯微鏡（TEM）圖像，可以清晰地看到MoS2納米片層層堆疊的結構。圖1d是Mo2C/MoS2-CP催化劑的高分辨率透射電子顯微鏡（HRTEM）圖像，可以看出MoS2納米片和Mo2C納米粒子之間存在異質界面。圖1e展示了Mo2C和MoS2的快速傅里葉變換（FFT）模式，可以確定MoS2納米片的晶面間距為0.25 nm（（102）平面）和0.235 nm（（200）平面）。圖1f是Mo2C/MoS2-CP催化劑的原子力顯微鏡（AFM）圖像，可以觀察到催化劑表面具有納米級的粗糙度。
圖2：該圖展示了Mo2C/MoS2-CP催化劑的結構和組成信息。圖2a是Mo2C-CP、MoS2-CP和Mo2C/MoS2-CP催化劑的X射線衍射（XRD）圖譜，可以看出Mo2C/MoS2-CP催化劑中同時存在MoS2和Mo2C的衍射峰，證實了Mo2C/MoS2異質結構的形成。圖2b是Mo2C/MoS2-CP和MoS2-CP催化劑的X射線光電子能譜（XPS）全譜圖，可以看出Mo2C/MoS2-CP和MoS2-CP催化劑中均存在C、Mo和S元素。圖2c是Mo2C/MoS2-CP和Mo2C-CP催化劑的C 1s XPS圖譜，可以看出Mo2C/MoS2-CP催化劑中存在額外的Mo-C峰，證實了Mo2C/MoS2異質結構的形成。圖2d是Mo2C/MoS2-CP催化劑的Mo 3d XPS圖譜，可以看出Mo2C/MoS2-CP催化劑中存在多種Mo的價態，證實了Mo2C/MoS2異質結構對Mo的電子結構進行了調節。
圖3：該圖展示了Mo2C/MoS2-CP催化劑的表面性質。圖3a是Mo2C/MoS2-CP和CP催化劑的接觸角測試結果，可以看出Mo2C/MoS2-CP催化劑具有優異的親水性，接觸角僅為47.61°，遠低于CP催化劑的138.51°。圖3b是CP和Mo2C/MoS2-CP催化劑在HER過程中氫氣泡的形貌變化，可以看出CP催化劑表面覆蓋著大量的大氣泡，而Mo2C/MoS2-CP催化劑表面只有少量的小氣泡。圖3c是CP和Mo2C/MoS2-CP催化劑在HER過程中氫氣泡尺寸分布，可以看出CP催化劑表面存在大量的大氣泡，而Mo2C/MoS2-CP催化劑表面存在大量的小氣泡。
圖4：該圖展示了Mo2C/MoS2-CP催化劑的HER性能。圖4a是CP、Mo2C-CP、MoS2-CP、Mo2C/MoS2-CP和Pt/C催化劑的LSV曲線，可以看出Mo2C/MoS2-CP催化劑在低電流密度下表現出優異的HER活性，過電位低于MoS2、Mo2C和Pt/C等催化劑。圖4b是CP、Mo2C-CP、MoS2-CP、Mo2C/MoS2-CP和Pt/C催化劑的Tafel曲線，可以看出Mo2C/MoS2-CP催化劑的Tafel斜率低于MoS2、Mo2C和Pt/C等催化劑，表明其HER動力學更快。圖4c是CP、Mo2C-CP、MoS2-CP、Mo2C/MoS2-CP和Pt/C催化劑的循環伏安曲線（CV），可以看出Mo2C/MoS2-CP催化劑具有良好的循環穩定性。圖4d是CP、Mo2C-CP、MoS2-CP、Mo2C/MoS2-CP和Pt/C催化劑的Nyquist圖，可以看出Mo2C/MoS2-CP催化劑的電荷轉移電阻（Rct）最小，表明其電荷轉移速率最快。圖4e是Mo2C/MoS2-CP催化劑在10 mA cm-2的電流密度下進行chronoamperometry測試的結果，可以看出Mo2C/MoS2-CP催化劑具有良好的穩定性，100小時內過電位僅略有增加。
總結展望
總之，本研究通過超快速碳熱沖擊法合成了Mo2C/MoS2異質結構催化劑，并系統地研究了其HER性能。研究發現，Mo2C/MoS2異質結構可以有效調節Mo位點的電子結構，促進電荷轉移，從而提高催化劑的HER活性。此外，Mo2C/MoS2-CP催化劑具有優異的親水性和疏氣性，有利于電解質的快速潤濕和氫氣泡的及時釋放，從而加速了HER動力學過程。Mo2C/MoS2-CP催化劑在1 M KOH電解液中表現出優異的HER性能，過電位僅為191.4 mV，Tafel斜率為64.5 mV dec-1，優于MoS2、Mo2C和Pt/C等催化劑。此外，Mo2C/MoS2-CP催化劑還具有良好的穩定性，在100 mA cm-2的電流密度下，100小時內的過電位僅略有增加。該研究結果表明，Mo2C/MoS2異質結構可以有效提高催化劑的HER活性，Mo2C/MoS2-CP催化劑有望應用于氫能生產領域。
本文徐飛教授團隊實驗室中使用的焦耳加熱裝置為合肥原位科技有限公司研發。
