袁彩雷教授Advanced Functional Materials：利用三维螺旋结构实现涡电流磁热高效增强析氢反应

在全球绿色能源转型中，氢能源扮演着非常重要的角色。电解水是制氢的主要方式之一，这一过程需要高效且具有成本效益的电催化剂。以二硫化钼（MoS₂）为代表的过渡金属二硫属化物（TMDCs）因其优异的催化活性、结构稳定性和丰富的地球储量，被认为是可替代铂族贵金属的理想析氢反应电催化剂。二硫化钼的催化活性主要来源于晶体的活性边缘，而大面积的基面是惰性的。为提高二硫化钼析氢反应性能，一个很好的途径是增加其边缘活性位点数。其中，将二维MoS₂转化为三维结构，可极大限度地提高活性边缘的暴露，是增加边缘活性位点数的最有效的方法之一。然而，三维层状结构MoS₂由于层间势垒的存在，大大降低了电子的传输效率，导致催化性能远没有想象的那么好。近年来，利用涡电流磁热技术（在交变磁场中产生的一种电磁感应现象）增强材料催化性能是电催化领域中的研究热点之一。磁热技术可在不影响催化剂材料结构和使用寿命的前提下，通过实现持续的局域加热，可大幅度提高材料电催化性能。在这一方面，三维层状结构MoS₂也不利于涡电流的产生，极大的限制了磁热技术的应用。

近期，江西师范大学袁彩雷教授团队采用改进了的化学气相沉积法制备获得三维螺旋金字塔结构的二硫化钼，这种新颖的螺旋金字塔结构二硫化钼在充分暴露边缘催化活性位点的同时消除了层间势垒，使得电子可沿螺旋轨道传输而具有高效的传输效率，且在交变电磁场下容易形成涡电流从而利于磁热进一步增强其催化性能。实验结果表明，螺旋金字塔结构的二硫化钼在电解水析氢反应中表现出优异的催化活性、良好的稳定性以及高效的磁热促进析氢反应性能。这一研究为设计合成新型TMDCs电催化剂，探索涡电流磁热技术在催化领域的高效应用提供了新的发展思路。

【图文导读】

图1. 层状金字塔型和螺旋金字塔型MoS₂生长机理示意图及其结构表征。

图2. 层状金字塔型和螺旋金字塔型MoS₂电化学微析氢装置示意图和电化学性能测试，以及不同区域的伏安特性曲线和在析氢过程中的电子转移示意图。

图3. 层状金字塔型和螺旋金字塔型MoS₂在有无交变磁场作用下的析氢性能，以及涡流密度和温度场的仿真模拟。

图4. 螺旋金字塔型MoS₂的析氢性能及结构稳定性测试。

研究成果于2022年2月24日以“Micro eddy current facilitated by screwed MoS₂ structure for enhanced hydrogen evolution reaction”为题在线发表在Adv. Funct. Mater.上。通讯作者为袁彩雷教授，江西师范大学为论文的第一单位。该项工作得到了国家自然科学基金委、江西省主要学科学术和技术带头人领军人才计划以及江西省自然科学基金委等的支持。

文章链接如下：https://doi.org/10.1002/adfm.202111067