二维MoS2水热合成参数优化及其复合催化剂在析氢反应中的高效应用

本研究通过精准调控水热反应温度（180–240°C）和体积（40–80%）参数，系统优化了MoS2的形貌、1T/2H相比例及Mo4+/Mo6+转化率，获得最佳HER过电位-189 mV（10 mA cm?2）。进一步开发的Re掺杂和Pt纳米颗粒修饰MoS2复合催化剂分别实现-140 mV和-12 mV的卓越性能，为绿色制氢提供了非贵金属催化剂设计新范式。

　　

在能源转型的全球背景下，绿色氢能制备技术正成为破解环境与能源困局的关键钥匙。作为氢能产业链的核心环节，电解水析氢反应(HER)却长期受制于贵金属催化剂的高成本瓶颈。二维二硫化钼(MoS₂)因其独特的电子结构和接近理想的氢吸附自由能(ΔG_H≈0.08 eV)，被视为最具潜力的铂替代材料。然而，块体MoS₂存在的活性位点不足、导电性差等问题，以及传统制备工艺中合成参数与催化性能的构效关系不明，严重制约着其实际应用。

针对这一挑战，韩国江原国立大学化学系分子科学与融合技术研究所的Soohyun Kwon、Joohyun Lim等研究人员在《International Journal of Hydrogen Energy》发表重要成果。研究团队通过创新性地结合多项式混沌展开和高斯核方法，建立了水热反应参数与MoS₂催化性能的非矩独立敏感性分析模型。研究人员采用水热合成法系统调控反应温度（180-240°C）和反应体积（40-80%），结合扫描电镜(SEM)、透射电镜(TEM)、X射线衍射(XRD)和拉曼光谱等多维表征技术，揭示了合成参数对MoS₂形貌、相组成和电子结构的调控规律。电化学测试采用标准三电极体系，在0.5 M H₂SO₄电解质中通过线性扫描伏安法(LSV)和塔菲尔斜率分析评估HER性能。

3.1 合成与电子显微镜分析
SEM分析显示200°C合成的MoS₂/CC呈现典型二维纳米结构，而180°C样品则表现出横向尺寸减小特征。TEM测量证实反应温度升高使堆叠层数从4层增至9层，堆叠厚度由4.1 nm（180°C）增至6.7 nm（240°C）。值得注意的是，反应体积增大同样导致堆叠层数增加，但温度对晶体取向的影响更为显著。

3.2 X射线与拉曼分析
XRD数据显示180°C样品具有0.82 nm的较大层间距，高于高温样品的0.60 nm。拉曼光谱中E¹_2g(377 cm^?1)和A_1g(404 cm^?1)峰证实2H相主导，而XPS深度分析发现1T相Mo⁴⁺在200°C样品中占比最高（16.40 at% Re掺杂样品达最优相比例）。

3.3 电化学分析
性能测试表明200°C/60%体积合成的MoS₂/CC具有最佳HER活性（η₁₀=-189 mV），塔菲尔斜率70 mV dec^?1证实其优越反应动力学。关键发现是1T/2H相比例与Mo⁴⁺转化率的协同效应决定催化活性，而非单纯追求高结晶度。

3.4 MoS₂基复合材料
基于优化参数合成的Re掺杂MoS₂（16.40 at%）将过电位降至-140 mV，而2 nm Pt纳米颗粒修饰样品更创下-12 mV的接近铂基准性能。电化学阻抗谱(EIS)显示Pt/MoS₂电荷转移电阻仅2 Ω，证实界面工程的有效性。

这项研究的重要意义在于建立了水热合成参数与MoS₂催化性能的定量构效关系，提出的"温度调控相变-体积控制转化率"双参数优化策略，为二维过渡金属硫族化合物催化剂的理性设计提供了普适性方法。特别是通过精确控制1T相含量（无需完全相变）实现性能突破的思路，以及仅用5.87 at% Pt即达到商业铂碳催化剂水平的成果，对降低电解水制氢成本具有重要实践价值。该工作不仅推动了非贵金属催化剂的基础研究，其建立的材料合成参数数据库更为人工智能辅助催化剂开发提供了高质量训练样本。