碱性介质中MoO3/MoS2纳米复合电催化剂的协同效应及其高效析氢性能研究

本研究针对贵金属电催化剂成本高、酸性介质稳定性差等问题，通过水热法构建MoO3纳米棒与MoS2纳米片的异质结构。该复合催化剂在碱性介质中展现出177 mV的低过电位（100 mA cm?2）和86 mV dec?1的塔菲尔斜率，其2.13 mmol h?1 cm?2的析氢速率源于氧化物-硫化物的协同作用，为绿色制氢提供了高效稳定的非贵金属解决方案。

　　

在全球能源转型的背景下，氢能作为零碳能源载体备受关注，但传统铂基电催化剂的高成本和酸性介质中的腐蚀问题严重制约其规模化应用。更棘手的是，碱性介质中质子稀缺导致的反应动力学迟缓，使得开发高效稳定的非贵金属催化剂成为学界攻坚的重点。过渡金属二硫化物MoS₂虽具有类铂的氢吸附自由能，但其易堆叠的二维结构限制了活性位点暴露；而MoO₃虽稳定性优异，却因宽带隙(2.86 eV)导致导电性不足。如何通过材料设计整合二者的优势，成为突破碱性析氢(HER)技术瓶颈的关键。

针对这一挑战，国内某研究机构的研究人员创新性地采用液相剥离结合水热法，构建了不同配比的MoO₃/MoS₂纳米异质结构(MMN11/12/21)。通过系统表征和电化学测试，发现MoS₂富集的MMN12催化剂在1 M KOH中展现出媲美贵金属的性能：在100 mA cm^?2电流密度下仅需177 mV过电位，塔菲尔斜率低至86 mV dec^?1，且能稳定运行14小时保持93%活性。这项发表于《Results in Surfaces and Interfaces》的研究，首次揭示了碱性介质中氧化物-硫化物界面协同增强HER的机制，为设计低成本、高效率的电解水催化剂提供了新范式。

研究团队运用了四大关键技术：X射线衍射(XRD)分析晶体结构演变，高分辨电镜(HRSEM/HRTEM)解析微观形貌，紫外可见漫反射光谱(UV-DRS)测定能带结构，以及电化学工作站进行线性扫描伏安(LSV)、电化学阻抗谱(EIS)等测试。特别通过原位X射线光电子能谱(XPS)证实了Mo⁶⁺向Mo⁴⁺的部分转化，为界面电荷转移提供了直接证据。

【材料设计与表征】
XRD显示复合材料中MoO₃(040)和MoS₂(002)平行晶面优先排列，取代了原始材料的离轴晶面，这种取向调控使界面相互作用增强。HRTEM观察到200 nm宽MoO₃纳米棒与少层MoS₂的物理堆叠，选区衍射(SAED)证实二者保持各自晶型但形成混合界面。

【电子结构调控】
UV-DRS测试发现MoS₂含量75%的MMN12带隙降至1.93 eV，比纯MoO₃窄32.5%。XPS显示Mo 3d_5/2结合能负移0.5 eV，表明硫化物诱导氧化物发生电子重排，这显著提升了电荷传输效率。

【电催化机制】
LSV测试揭示MMN12在-0.5 V vs RHE时产氢速率达2.13 mmol h^?1 cm^?2，EIS证实其电荷转移电阻(R_ct)最低(106.2 Ω)。研究者提出"氧化物捕获-硫化物转化"的双功能机制：MoO₃的氧晶格吸附水解离产生的H⁺，随后通过界面转移至MoS₂边缘活性位点复合为H₂。

这项研究通过精准调控MoO₃/MoS₂异质界面，实现了碱性HER性能的突破。其创新性体现在三方面：一是揭示了平行晶面排列促进电荷转移的结构基础；二是证实了硫化物含量与催化活性的非线性关系；三是开发出可规模化制备的水热合成工艺。相比前人报道的酸性介质催化剂(通常需200-300 mV过电位)，该碱性体系在工业级电流密度(100 mA cm^?2)下的优异表现，使其更接近实际应用需求。后续研究可进一步探索界面硫空位调控、应力工程等策略，持续优化这类非贵金属催化剂的性能边界。