夏興華課題組在層狀材料能帶可控設計及其增強水催化分解領域取得進展
氫氣是下一代清潔和可再生能源的最佳燃料。現(xiàn)有的制氫技術有化學催化裂解、光/電化學催化分解水等，其中電化學技術具有轉(zhuǎn)化效率高、綠色等優(yōu)點而被廣泛采用。目前，貴金屬鉑是電催化分解水制氫的最佳催化劑，然而其價格昂貴且資源稀少，所以尋找高催化活性的非貴金屬催化劑是當今該領域的研究熱點?，F(xiàn)有研究表明，二維層狀二硫化鉬（MoS2）材料被譽為潛在的析氫反應（HER）電催化劑。但未剝離的塊狀MoS2有著較差的電子傳導性和很大的HER過電勢。因此，如何提高MoS2材料對HER的電催化活性是當前的一個重要挑戰(zhàn)。
南京大學化學化工學院夏興華課題組潛心于層狀仿生材料的設計和性能研究（NPG Asia Mater. 2017, 9, 354; J. Am. Chem. Soc. 2015, 137, 7365; Anal. Chem. 2015, 87, 5831; Nat. Commun. 2014, 5, 1）。他們提出了局域化表面等離子體共振（LSPR）增強電化學反應的新設想，通過Au納米棒的LSPR效應將熱電荷注入到MoS2導帶，增加MoS2的電荷密度，使催化劑的能級與HER能級更加匹配，降低反應過電勢（J. Am. Chem. Soc. 2015, 137, 7365）。受此工作啟發(fā)，即增加MoS2的電荷密度有利于促進HER催化活性，近期他們利用溶劑熱法合成出鋅摻雜的片層二硫化鉬納米花結(jié)構(gòu)（Zn-MoS2）（圖1），通過過渡金屬的摻雜來提高MoS2的電荷密度。該工作以Zn-MoS2材料作為設計模型，強調(diào)材料設計要同時兼顧熱力學（能級匹配）和動力學（豐富的催化活性位點）兩方面（圖3）。鋅元素的摻雜使得MoS2與反應底物能級更加匹配，提高了兩者之間電子交換的可能性；另一方面，摻雜后的MoS2具有更多的HER催化活性位點和導電性，大大增加了電子傳遞到活性位點發(fā)生化學反應的概率。基于此設計，Zn-MoS2材料對HER催化過電位降低到130 mV，Tafel斜率為51 mV/dec，轉(zhuǎn)換頻率高達15.44 s-1，超過目前報道的大部分MoS2材料（圖2）。該工作發(fā)表于《美國化學會志》（J. Am. Chem. Soc. 2017, DOI: 10.1021/jacs.7b08881），論文第一作者為16級博士生施毅同學。該工作得到國家自然科學基金面上項目（21327902, 21635004, 21675079）和國家重點研究發(fā)展規(guī)劃項目（2017YFA0206500）等支持。
圖1. Zn-MoS2片層材料的形貌表征
圖2. Zn-MoS2片層材料的電化學表征
圖3. 鋅摻雜MoS2增強HER的機理探討
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