在硫化钼基面上调控原子级协同活性中心用于碱氢演化反应

作     者：罗旭宇 王颖 杨光 刘璐 郭诗颖 崔义 许小勇 Xuyu Luo;Ying Wang;Guang Yang;Lu Liu;Shiying Guo;Yi Cui;Xiaoyong Xu

作者机构：扬州大学物理科学与技术学院江苏扬州225002 中国科学院苏州纳米技术与纳米仿生研究所真空互联纳米技术工作站江苏苏州215123 

出 版 物：《Chinese Journal of Catalysis》 (催化学报（英文）)

年 卷 期：2024年第61卷第6期

页      面：281-290页

核心收录：

学科分类：081702[工学-化学工艺] 0809[工学-电子科学与技术（可授工学、理学学位）] 081705[工学-工业催化] 08[工学] 070203[理学-原子与分子物理] 0820[工学-石油与天然气工程] 0817[工学-化学工程与技术] 0806[工学-冶金工程] 0807[工学-动力工程及工程热物理] 0805[工学-材料科学与工程（可授工学、理学学位）] 0703[理学-化学] 0702[理学-物理学] 0823[工学-交通运输工程] 082301[工学-道路与铁道工程] 

基　　金：国家自然科学基金(11974303,12074332) 江苏省青蓝工程(137050317) 扬州大学高端人才计划(137080051) 化学重点学科交叉研究基金(yzuxk202014) 

主　　题：碱水电解 氢气演化反应 硫化钼 原子尺度活化 协同活性位点 

摘      要：电解水技术是一种生产高纯氢燃料的方法,能够增强可再生能源发电系统的消纳能力.相较于质子交换膜(PEM)电解槽,碱性(ALK)电解槽可以使用非贵金属基催化电极,拥有更高的经济效益和市场占有率.然而,由于ALK电解槽处于质子稀缺环境,阴极氢气演化反应(HER)动力学变得更加复杂,需要快速解离水分子提供动态质子微环境.硫化钼(MoS_(2))纳米片边缘具有合适的质子吸附和演化的活性位点,是制备HER催化剂的潜力材料.但其二维基面原子由于配位饱和,显示出较弱的质子吸附能力.如何调控MoS_(2)基面以实现水解动力与质子吸附演化动力的集成,提升MoS_(2)纳米片的碱性HER活性,具有重要的科学和应用意义.本文提出了一种Co/O双原子植入策略,精准调控双活性位点及其电子结构,实现了水解离动力和质子吸附演化动力的高效耦联.首先,利用刻蚀和电沉积的两步实验法,在MoS_(2)基面上成功引入O和Co原子;随后,结合高分辨透射电镜、高角环形暗场-扫描透射电子显微镜、同步辐射X射线吸收精细结构谱等表征分析技术,精准识别了掺杂Co/O原子的位置和配位情况:O原子替换部分S原子,Co原子占据Mo原子的上方,构建出立体凸起的“O-Co-S_(2)配位构型.催化在线的原位表征分析结果表明:该独特的“O-Co-S_(2)原子基序发挥着水解离与氢演化反应协同催化效应.密度泛函理论计算结果也证实了该协同机制,其中Co位点促进水的解离反应,而S位点则有助于质子的转化生成氢气.因此,Co/O掺杂MoS_(2)催化剂(Co-O@MoS_(2))表现出较好的碱性HER活性:仅需81 mV的过电位,即可达到100 mA cm^(‒2)的电流密度,Tafel斜率低至42 mV dec^(‒1),在600 mA cm^(‒2)的高电流密度测试中运行300 h活性无衰减.上述碱性HER性能不仅远高于原始的MoS_(2)纳米片,而且也领先于部分已报道结果.综上所述,本文在MoS_(2)基面上构筑了原子级协同催化活性中心,显著促进了碱性HER反应性能,为原子活化工程开发先进催化剂提供参考,在原子级基序构造、表征和功能分析方面提供借鉴.