MoS2及相关材料电催化和光电催化析氢研究进展

随着全球人口不断增加，能源需求总量日益扩大，气候变化和环境问题日益严重，如何在发展社会经济的同时，保护地球的自然环境成为亟待解决的课题。通过环境友好的电催化和光电化学 (PEC) 分解水制氢是一种非常有前景的清洁能源提供方案，其中可以改变反应速率、效率和选择性的催化剂在这些析氢体系中扮演着关键的角色，大规模和可持续地的析氢前提是需要使用高效、地球储量丰富的催化剂来取代目前商业化的铂和其他贵金属催化剂。

最近，美国威斯康星大学麦迪逊分校的金松教授（点击查看介绍）应邀在Chem (Cell press) 杂志上与哈尔滨工业大学的徐平教授（点击查看介绍）、宋波教授（点击查看介绍）合作撰写了题为 “Efficient Electrocatalytic and Photoelectrochemical Hydrogen Generation Using MoS₂ and Related Compounds” 的综述性文章。该文全面地回顾了近年来利用 MoS₂及相关材料作为贵金属催化剂的有效替代物，用于电催化析氢 (HER) 与光电化学分解水的重要研究进展，这是一篇学习氢能源领域相关机理和进展的佳作。

在文章中，作者首先详细介绍了不同电解液体系下HER的反应过程 (如图1所示) ，并阐述了其反映催化剂本征催化活性以及整体催化性能的关键参数。

图1. HER作用的机制机理

接下来针对 MoS₂材料，文章首先分析了3种晶形 (1T, 2H, 3R) 的结构特点，如图2所示。在此基础上，作者详细介绍了提高 MoS₂本征催化活性以及整体催化性能的有效策略，包括增加活性位点、边缘位点、基平面的缺陷密度、电子结构与晶相的调控。

图2. MoS₂不同的晶体结构

该综述重点介绍了近期通过相变工程来调控晶相与电子结构，将 MoS₂由常见的2H相（半导体相）转变为亚稳的1T相（金属相），进而增加提高本征催化活性的策略，如图3所示。文章同时也介绍了其它重要的MX₂材料、WS₂材料在通过相调控由2H转变为1T相方面的催化研究进展。

图3. 转化为金属1T相，并伴随着增强的本征HER催化活性

最近，借助多孔1T-MoS₂的典型样品，人们全面认识了相、边缘、空位等几类因素对于析氢反应的贡献，如图4所示。这也是迄今纯相 MoS₂显示的最好的HER催化性能。

图4. 多孔1T-MoS₂作为典型的电催化剂性质与微结构

随后作者回顾了其它提高 MoS₂材料HER整体催化性能的方法：与导电基质复合, 或者直接在无定形MoS_x、无定形MoS_xCl_y以及MoSe_xCl_y中实现高催化活性，如图5所示。

图5. 无定形的MoS_xCl_yand MoSe_xCl_y HER催化剂

文章还对光电化学产氢的原理及重要参数进行解析，从半导体、催化剂、半导体-催化剂界面三方面详细回顾了由 MoS₂与各种半导体组成的集成光电化学系统中的若干关键研究进展，特别是采用 p-Si 与 1T-MoS₂（如图6所示）或MoQ_xCl_y 的组合。这些例子阐述了几点设计高性能集成光电化学析氢系统的关键因素。该系统可用于直接将太阳能转换为可用的燃料，为进一步设计高效的太阳能水分解系统提供了有益的参考。

图6 在p-Si表面使用1T-MoS₂作为催化剂的PEC系统

文章的最后对高丰度元素组成的新型HER电催化剂与PEC系统目前存在的挑战和未来发展的方向进行了展望，作者认为在机理研究、理论与实验结合、集成PEC产氢系统等方面还有许多的工作可以开展。

该论文作者为：Qi Ding, Bo Song, Ping Xu, Song Jin

原文（扫描或长按二维码，识别后直达原文页面，或点此查看原文）：

Efficient Electrocatalytic and Photoelectrochemical Hydrogen Generation Using  MoS₂ and Related Compounds

Chem., 2016, 1, 699–726, DOI: 10.1016/j.chempr.2016.10.007

导师介绍

金松

http://www.x-mol.com/university/faculty/77

徐平

http://www.x-mol.com/university/faculty/38303

宋波

http://www.x-mol.com/university/faculty/38305

X-MOL催化领域学术讨论QQ群（210645329）