可持续的表面等离子体剥离法制备的均匀三元MoSe?/WSe?/石墨烯纳米片异质结构，作为高效的氢演化反应电催化剂

《Materials Today Nano》：Sustainable surface-plasma-exfoliated homogeneous ternary MoSe 2/WSe 2/Graphene nanosheets heterostructures as high-efficiency electrocatalysts for hydrogen evolution reaction

氢能转化催化剂开发新方法，采用双面等离子体剥离技术同步制备MoSe2/WSe2/石墨烯三元异质结构，通过调控层间电子亲和力与导电网络，实现89mV超低过电位及48小时80%活性保持，DFT计算证实异质结界面显著降低氢吸附能。

　　氢气是一种具有广泛应用前景的清洁能源，其在实现零碳排放目标中扮演着重要角色。为了高效地生产氢气，科学家们不断探索新的催化剂技术，其中氢析出反应（HER）是电解水制氢的核心过程。HER催化剂的选择和性能直接影响制氢效率，因此，开发高效、可持续且成本低廉的催化剂成为当前研究的重点。近年来，二维过渡金属二硫属化物（TMDs）因其优异的电催化性能和结构特性，被认为是HER的理想材料。然而，TMDs的性能仍然受到其活性位点分布不均和导电性不足的限制。为了解决这些问题，研究人员尝试通过构建异质结构来优化TMDs的性能，例如将不同种类的TMDs进行组合，并引入石墨烯纳米片（GNs）以提高导电性。然而，传统的制备方法通常涉及复杂的化学反应、高温处理以及较长的生产周期，不仅成本高昂，还可能产生大量副产物，限制了其在实际应用中的推广。

针对上述问题，本文提出了一种新的可持续方法——双阴极表面等离子体剥离（DCPE）技术。该技术通过在两个平行阴极上分别进行表面等离子体剥离，同时将石墨粉末和混合的MoSe?/WSe?粉末剥离成二维纳米片，从而实现了对多种材料的同步处理。DCPE方法的优势在于其操作温度较低（60 °C），处理时间较短（30分钟），并且在整个过程中几乎不产生副产物。这使得该方法在大规模生产中具有显著的可行性。通过这种技术，研究人员成功合成了MoSe?/WSe?/GNs三元异质结构复合材料，并验证了其在HER过程中的优异性能。

MoSe?和WSe?是两种具有相反电子亲和力的TMDs，它们的结合能够产生互补的电子结构，从而增强氢原子的吸附和解离能力。此外，MoSe?和WSe?的晶格常数相近，这种特性有助于形成稳定的异质界面，进一步提升电荷传输效率。通过将这些材料与石墨烯纳米片结合，研究人员能够显著增加材料的导电性，同时提高活性位点的暴露程度，从而优化HER的电化学性能。实验结果表明，优化后的MoSe?/WSe?/GNs异质结构（7:3:1重量比）在HER过程中表现出卓越的性能，其过电位仅为89 mV，塔菲尔斜率仅为52 mV dec?1，显著优于单独的MoSe?/GNs（241 mV, 108 mV dec?1）和WSe?/GNs（285 mV, 117 mV dec?1）复合材料。这些数据表明，三元异质结构在HER反应中具有更高的催化活性和更低的能量需求。

为了进一步验证三元异质结构的性能，研究人员采用了密度泛函理论（DFT）计算方法，对不同排列的MoSe?、WSe?和GNs单层结构进行模拟，预测其氢原子吸附的吉布斯自由能（ΔG_H*）和过电位值。计算结果表明，MoSe?/WSe?/GNs异质结构的ΔG_H*值为?0.039 eV，而其单层堆叠结构的ΔG_H*值为?0.068 eV，显著低于原始MoSe?单层结构的?0.321 eV。这些结果与实验观测一致，表明三元异质结构在HER反应中具有更高的催化活性和更低的活化能。此外，DFT计算还揭示了这些材料在费米能级附近的电子态密度变化，进一步支持了其在HER中的高效性能。

除了理论计算，研究人员还通过实验验证了三元异质结构的稳定性。实验结果显示，MoSe?/WSe?/GNs复合材料在48小时内仍能保持80%的活性，这表明其在长期使用中具有良好的稳定性。这一特性对于实际应用中的催化剂尤为重要，因为HER反应通常需要长时间的电化学处理。此外，研究人员还发现，通过DCPE方法制备的三元异质结构具有均匀的分布和良好的界面结合，这有助于提高材料的整体性能和应用效率。

在实际应用中，HER催化剂的性能不仅取决于其活性位点的数量和分布，还受到其导电性、稳定性以及界面结构的影响。因此，构建具有优异性能的异质结构成为提升HER效率的重要策略。本文提出的DCPE方法不仅能够高效地剥离多种材料，还能在同步处理过程中实现良好的混合效果，从而形成均匀的三元异质结构复合材料。这种方法的优势在于其操作简便、成本低廉且环境友好，为大规模生产HER催化剂提供了新的可能性。

此外，本文还探讨了其他相关研究，如通过不同的阴极处理方式制备二元异质结构复合材料。例如，单阴极处理可用于剥离单一TMDs材料，而双阴极处理则能实现多种材料的同步剥离。这些方法为HER催化剂的制备提供了多种选择，但它们通常需要较长的处理时间和复杂的操作步骤，限制了其在实际应用中的推广。相比之下，DCPE方法能够在较短的时间内完成多种材料的同步剥离，并且在处理过程中几乎不产生副产物，这使得其在实际应用中具有显著的优势。

为了进一步提升HER催化剂的性能，研究人员还探索了其他材料的组合和优化策略。例如，通过引入不同种类的TMDs和石墨烯纳米片，可以形成多种异质结构复合材料，从而优化其电子结构和电荷传输能力。这些材料的组合不仅能够提高催化剂的活性位点数量，还能改善其导电性和稳定性，从而提升HER的整体性能。此外，研究人员还发现，不同的材料比例对HER催化剂的性能有显著影响，因此，优化材料比例成为提升催化剂性能的重要策略。

在实际应用中，HER催化剂的性能需要在多个方面进行综合考量。首先，催化剂的活性位点数量和分布决定了其催化效率。其次，催化剂的导电性影响电荷传输效率，从而影响反应速率。第三，催化剂的稳定性决定了其在长期使用中的性能保持情况。因此，构建具有优异性能的异质结构复合材料成为提升HER效率的重要途径。本文提出的DCPE方法不仅能够高效地剥离多种材料，还能在同步处理过程中实现良好的混合效果，从而形成均匀的三元异质结构复合材料。这种方法的优势在于其操作简便、成本低廉且环境友好，为大规模生产HER催化剂提供了新的可能性。

此外，本文还探讨了其他相关研究，如通过不同的阴极处理方式制备二元异质结构复合材料。例如，单阴极处理可用于剥离单一TMDs材料，而双阴极处理则能实现多种材料的同步剥离。这些方法为HER催化剂的制备提供了多种选择，但它们通常需要较长的处理时间和复杂的操作步骤，限制了其在实际应用中的推广。相比之下，DCPE方法能够在较短的时间内完成多种材料的同步剥离，并且在处理过程中几乎不产生副产物，这使得其在实际应用中具有显著的优势。

为了进一步提升HER催化剂的性能，研究人员还探索了其他材料的组合和优化策略。例如，通过引入不同种类的TMDs和石墨烯纳米片，可以形成多种异质结构复合材料，从而优化其电子结构和电荷传输能力。这些材料的组合不仅能够提高催化剂的活性位点数量，还能改善其导电性和稳定性，从而提升HER的整体性能。此外，研究人员还发现，不同的材料比例对HER催化剂的性能有显著影响，因此，优化材料比例成为提升催化剂性能的重要策略。

在实际应用中，HER催化剂的性能需要在多个方面进行综合考量。首先，催化剂的活性位点数量和分布决定了其催化效率。其次，催化剂的导电性影响电荷传输效率，从而影响反应速率。第三，催化剂的稳定性决定了其在长期使用中的性能保持情况。因此，构建具有优异性能的异质结构复合材料成为提升HER效率的重要途径。本文提出的DCPE方法不仅能够高效地剥离多种材料，还能在同步处理过程中实现良好的混合效果，从而形成均匀的三元异质结构复合材料。这种方法的优势在于其操作简便、成本低廉且环境友好，为大规模生产HER催化剂提供了新的可能性。

综上所述，本文通过开发一种新的可持续方法——双阴极表面等离子体剥离（DCPE）技术，成功合成了MoSe?/WSe?/GNs三元异质结构复合材料，并验证了其在HER反应中的优异性能。实验结果表明，这种三元异质结构在过电位和塔菲尔斜率方面均优于二元复合材料，同时其稳定性也得到了显著提升。这些结果表明，DCPE方法在HER催化剂的制备中具有重要的应用前景。此外，本文还通过理论计算进一步支持了实验结果，为理解三元异质结构的性能提供了理论依据。未来，研究人员将继续优化DCPE方法，并探索更多材料组合，以进一步提升HER催化剂的性能，推动清洁能源技术的发展。