清华-伯克利深圳学院（TBSI）刘碧录ACS Nano：二维二硫化钼层间限域碱性电解水产氢催化剂

引言：

当前，人类对化石能源的过度使用导致环境和能源问题日益突出，利用电化学催化方法分解水产氢是可再生能源转化的一种有效方法，同时也是有望解决当前能源危机的最安全有效的技术。然而，电解水产氢最大的问题是能耗高。为降低驱动电解水反应所需的电能，使用电催化剂是最有效的手段。铂基催化剂是目前公认最有效的产氢催化剂，但是贵金属铂储量小、价格昂贵，这限制了它的工业大规模使用。因此，开发廉价高效的产氢催化剂意义重大。例如，过渡金属硫化物是一种储量较大的天然层状材料。研究表明，将二硫化钼的厚度减薄可暴露更多具有析氢活性的二硫化钼边缘位点，从而极大地提高了二硫化钼的催化活性；但对于更有工业化应用前景的碱性电解液析氢反应，二硫化钼很难将水解离成氢，这限制了其在碱性电解液析氢中的应用。

成果简介：

近日，来自清华-伯克利深圳学院（TBSI）的刘碧录老师课题组在ACS Nano上发表了题为Two-Dimensional MoS₂ Confined Co(OH)₂ Electrocatalysts for Hydrogen Evolution in Alkaline Electrolytes的文章，介绍了他们在廉价碱性电解水产氢催化剂上取得的新进展。他们设计了一种将氢氧化钴纳米颗粒限域在二维二硫化钼层间的电催化剂，该催化剂由两步法制备而得，且该方法具有普适性。实验表明，该催化剂可以显著降低碱性电解水产氢所需要的过电势（起始过电势为15 mV）并展现出良好的稳定性（使用20小时性能无明显衰退）。密度泛函理论计算表明：限域在层间的氢氧化钴和二硫化钼二维材料共同赋予了催化剂好的催化活性和稳定性。该工作提供了一种新的设计碱性电解水析氢催化剂的策略。

图文导读：

图1. 普适性的两步法制备二维二硫化钼层间限域的氢氧化钴催化剂

图2. 含钴化合物插入二硫化钼层间使其层间距不均匀

图3. 插层的钴化合物主要由氢氧化钴组成

图4. 优异的碱性电解水析氢催化活性和稳定性

图5. 密度泛函理论计算表明氢氧化钴和二硫化钼共同加速了碱性电解水产氢反应动力学

小结：

这个工作提供了一种设计高效电催化剂的策略。原理上，这一策略可以扩展到其它二维材料（如：石墨烯、MXenes和过渡金属硫族化合物）和其它插层材料（如：氢氧化镍），以制备适用于其他电催化反应体系的高效催化剂及能源相关的应用。

原文链接：Two-Dimensional MoS₂ Confined Co(OH)₂ Electrocatalysts for Hydrogen Evolution in Alkaline Electrolytes (ACS Nano, 2018, DOI: 10.1021/acsnano.8b00942)

本文由清华-伯克利深圳学院刘碧录老师课题组投稿。

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