MoO2@N/Mo-ReS2异质界面电子调控策略实现高效碱性全水分解

本文通过水热法和化学气相沉积氮化技术，成功构建了MoO2纳米团簇锚定的N/Mo双掺杂ReS2纳米片异质结构（MoO2@N/Mo-ReS2），实现了碱性条件下高效析氢（HER）和析氧（OER）双功能催化。该研究通过金属/非金属掺杂、异质结构形成和基面活化三重调控，显著提升ReS2电化学活性位点密度，其性能超越商用Pt/C||RuO2催化剂（1.54V@10mA cm-2），为开发低成本、高性能电解水催化剂提供了新范式。

　　

Abstract
碱性电解水制氢是生产高纯度绿色氢能的有效途径，而高效电催化剂的设计至关重要。本研究创新性地通过水热法和CVD氮化工艺，在碳布基底上构建了MoO₂纳米团簇修饰的N/Mo双掺杂ReS₂纳米片（MoO₂@N/Mo-ReS₂）三维异质结构。这种复合催化剂通过三重调控策略：金属（Mo）和非金属（N）共掺杂、MoO₂/ReS₂异质界面形成以及基面活化，成功克服了传统ReS₂半导体导电性差、基面惰性等问题。密度泛函理论（DFT）计算证实，该结构具有优化的氢吸附自由能、低水分解能垒和高导电性。

1 Introduction
全球能源危机和环境污染问题促使清洁能源技术快速发展。氢能作为化石燃料的理想替代品，其电催化水分解效率受限于阳极OER的高过电位和缓慢动力学。虽然Pt/Ir/Ru基催化剂性能优异，但高昂成本制约其大规模应用。过渡金属二硫化物（TMDs）因其独特的物理化学性质备受关注，其中ReS₂具有扭曲八面体（1T'）结构、弱层间耦合（18meV）和Re-Reσ键等特性，但存在基面惰性和半导体特性的固有缺陷。本研究提出界面/表面工程策略，通过Mo/N双掺杂协同调控电子结构，同时利用MoO₂纳米团簇作为OER活性位点，首次将ReS₂转化为双功能催化剂。

2 Results and Discussion
材料表征显示，MoO₂@N/Mo-ReS₂呈现三维网络状纳米片结构，TEM观察到边缘分布的MoO₂纳米团簇（2-5nm）。XRD显示（002）晶面间距从ReS₂的0.61nm扩展至0.72nm，促进电解质渗透。XPS证实N原子通过取代S位点形成Re₂N和Re₃N键合构型，而Mo 3d轨道电子向ReS₂转移形成电子再分布。Raman光谱中355cm^-1和217cm^-1特征峰验证了MoO₂的存在，氮化处理使Ag模式蓝移，表明局部键强化。

电化学测试表明，在1M KOH中，MoO₂@N/Mo-ReS₂的HER过电位（η₁₀=-93mV）和OER过电位（η₁₀=249mV）均优于对比样品，Tafel斜率分别为67mV dec^-1和63.7mV dec^-1。全水解电解槽仅需1.54V即可达到10mA cm^-2电流密度，且在200mA cm^-2高电流下稳定运行160小时。原位Raman发现，HER过程中3262cm^-1处的四面体配位水分子信号增强，而OER时出现Re-OH*（3628cm^-1）和Mo-OH*（1050cm^-1）中间体特征峰，证实异质界面促进水解离和中间体吸附。

3 Conclusion
该工作通过精准调控ReS₂电子结构，构建了兼具高活性与稳定性的双功能催化剂。MoO₂纳米团簇负责水解离，N/Mo双掺杂优化氢吸附能，二者协同作用使材料在碱性条件下性能超越贵金属催化剂。这种异质界面工程策略为设计高效、低成本能源转换材料提供了新思路。