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为解决自支撑 MoS?催化剂析氢反应（HER）动力学不足问题，研究人员以 TiO?为载体，调控其形貌（块体锐钛矿、纳米管、纳米线），通过 IR/CO 表征 MoS?边缘位点，发现 Mo 边缘位点浓度、电子密度及锐钛矿 TiO?(001) 晶面对 HER 活性有积极影响，为催化剂设计提供新视角。
氢能作为零碳能源载体，在全球能源转型中至关重要。目前主流析氢反应（HER）电催化剂 Pt/C 因成本高、资源稀缺限制应用，开发非贵金属基催化剂成为焦点。二硫化钼（MoS?）因氢吸附自由能低被视为潜力材料，但其自身电导率差、活性边缘位点少，导致过电位高、塔菲尔斜率大，难以满足实际需求。尽管通过杂原子掺杂、碳载体负载等策略优化，但其活性位点的浓度、可及性与电子密度的实验表征仍不明确，制约了对催化机制的深入理解。
为填补这一空白，国外研究机构的研究人员开展了以二氧化钛（TiO?）为载体调控 MoS?活性位点的研究。他们通过改变 TiO?形貌（块体锐钛矿、纳米管 TiNT、纳米线 TiNW），结合 CO 吸附红外光谱（IR/CO）与 HER 活性测试，揭示了载体形貌对 MoS?边缘位点结构与催化性能的影响机制。该研究成果发表在《Catalysis Today》，为设计高效非贵金属 HER 催化剂提供了关键理论依据。
研究采用的关键技术方法包括：
- TiO?纳米结构合成：通过溶剂热法制备 TiO?纳米管（TiNT），以 KOH 替代 NaOH 制备纳米线（TiNW），并对块体锐钛矿 TiO?进行煅烧处理。
- IR/CO 表征：利用 CO 作为探针分子，通过红外光谱分析 MoS?边缘位点的浓度、电子密度及暴露边缘类型（M - 边和 S - 边）。
- HER 性能测试：评估不同 TiO?形貌负载 MoS?催化剂的析氢过电位、塔菲尔斜率及动力学参数。
材料合成与表征
研究选用 Degussa 的锐钛矿 TiO?颗粒，经研磨后在 400℃煅烧，粒径为 160-200μm。TiNT 通过 Min Gyu Choi 等报道的溶剂热法合成，所得粉末在 300℃煅烧 4 小时（升温速率 1℃/min）。TiNW 合成步骤与 TiNT 类似，仅将 NaOH 替换为 10M KOH。
载体形貌对 HER 活性的影响
通过对比三种 TiO?形貌负载的 MoS?催化剂发现，管状和线状 TiO?因导电性能优于块体，显著提升了 HER 活性。其中，TiNT 和 TiNW 的无序缠绕结构虽导电性不及有序排列的纳米管阵列，但仍比块体 TiO?更有利于电荷传输。IR/CO 结果表明，TiO?纳米结构增加了 MoS?边缘位点的暴露量，尤其是活性更高的 M - 边，同时提升了钼位点的电子密度，这与 HER 过电位降低和塔菲尔斜率改善呈正相关。
锐钛矿晶面的作用
研究发现，锐钛矿 TiO?的 (001) 晶面与 MoS?的相互作用可优化电子转移路径。该晶面通过增强 MoS?边缘位点的电子密度，降低了氢吸附能，从而加速反应动力学。这一发现首次通过实验证实了载体晶面与活性位点电子结构的关联，为催化剂设计提供了新维度。
结构 - 活性关系的分子层面解析
IR/CO 表征首次建立了 MoS?边缘位点浓度、电子密度与 HER 活性的直接关联。结果显示，TiO?纳米结构负载的 MoS?具有更高的边缘位点浓度和电子密度，其催化活性显著优于块体载体。结合密度泛函理论（DFT）推测，纳米结构诱导的应力和缺陷位点可能是活性提升的关键因素，但本研究通过实验直接验证了这些假设。
研究结论与意义
本研究通过调控 TiO?形貌，系统揭示了 MoS?活性位点的结构 - 活性关系，证实了边缘位点浓度、电子密度及锐钛矿 (001) 晶面对 HER 性能的决定性作用。首次将 IR/CO 表征与 HER 活性关联，为催化剂设计提供了分子层面的分析工具。研究结果表明，载体形貌工程是优化非贵金属 HER 催化剂的有效策略，为开发低成本、高活性析氢材料开辟了新路径。未来可进一步探索其他氧化物载体的形貌调控，以拓展该机制在更多催化体系中的应用。
