通过MoS2-Co9S8异质结构电催化剂的界面工程，实现高效的双pH值氢气释放与Zn-H2O电池的耦合

《Materials Today Chemistry》：Achieving efficient dual-pH hydrogen evolution and Zn-H 2O battery coupling via interfacial engineering of MoS 2-Co 9S 8 heterostructures electrocatalyst

双相宽pH范围MoS2基催化剂的制备及其在析氢反应与锌水电池中的应用研究。采用水热法成功构建Co9S8/MoS2异质结构自支撑电极，在0.5M KOH和0.5M H2SO4中过电位分别为178mV和40mV，100mA/cm2电流密度下稳定性达20小时。该催化剂组装成双电极体系实现1.53V低电压水裂解，并在锌水电池中展现8.9mW/cm2功率密度。DFT计算证实异质界面电子结构调控显著优化氢吸附特性。

　　在当前全球能源转型和环境保护的背景下，氢气作为一种清洁、可持续的能源载体，正逐渐成为实现碳中和目标的重要手段。氢气的生产方式多种多样，其中通过电化学水分解（Electrochemical Water Splitting, EWS）制备绿色氢气被认为是极具前景和高效的方法之一。然而，传统的电催化水分解技术依赖于贵金属催化剂，如铂（Pt）和铱（Ir），这些材料虽然具有优异的催化活性，但其高昂的成本、稀缺性以及在实际应用中的稳定性问题，严重限制了其大规模推广。因此，开发高效、低成本且稳定性的非贵金属电催化剂成为当前研究的热点之一。

氢析出反应（Hydrogen Evolution Reaction, HER）是水分解过程中至关重要的阴极反应，其催化性能直接影响整体的水裂解效率。HER通常发生在碱性或酸性环境中，但目前大多数非贵金属催化剂仅适用于单一pH条件下的水裂解。此外，催化剂的结构和性能在不同pH条件下的表现存在显著差异，这使得开发能够在宽pH范围内均表现优异的HER催化剂成为一项具有挑战性的任务。为了应对这一问题，研究人员致力于探索多种材料体系和结构设计，以提升HER的催化活性和稳定性，同时降低催化剂成本。

近年来，过渡金属二硫属化物（Transition Metal Dichalcogenides, TMDs）因其优异的物理化学性质，被认为是替代贵金属催化剂的有力候选材料。其中，MoS?因其独特的层状结构、丰富的边缘活性位点以及电子结构与铂相似的特性，成为HER研究中备受关注的材料。然而，MoS?本身存在一些局限性，例如其固有的导电性较差，以及在电解过程中容易发生层间堆叠或聚集，导致活性位点减少和催化效率下降。因此，如何通过结构优化和界面调控提升MoS?的催化性能，成为研究的重点方向。

针对上述问题，本研究提出了一种新型的分层自支撑无粘结剂电催化剂CoMoS-2/CF，该催化剂通过将Co?S?与MoS?纳米片集成在钴泡沫（CoFe）上制备而成。钴泡沫作为一种三维多孔导电基底，不仅能够提供良好的机械支撑，还能促进电荷传输，从而提升催化剂的整体性能。通过调控钼盐与硫源的摩尔比例，研究人员成功合成了具有可控组成和形貌的CoMoS-X/CF复合材料（X = 1, 2, 3）。这些材料在酸性和碱性电解液中均表现出优异的HER性能，其中CoMoS-2/CF在0.5 M H?SO?和1.0 M KOH电解液中分别仅需40 mV和178 mV的过电位即可实现100 mA cm?2的电流密度，这表明其在宽pH范围内均具有出色的催化活性。

进一步的研究发现，CoMoS-2/CF催化剂在高电流密度下仍能保持良好的稳定性，经过20小时的测试，其性能未出现明显衰减。这一结果不仅证明了该催化剂在实际应用中的可靠性，也为未来大规模应用提供了理论支持。此外，研究人员还构建了一种非对称双电极配置，使用CoMoS-2/CF作为阴极，RuO?/CF作为阳极，实现了低至1.53 V的电池电压，即可达到10 mA cm?2的电流密度。这一性能指标在目前的HER催化剂中具有显著优势，表明该催化剂不仅适用于水分解，还能够有效提升锌-水电池（Zn-H?O battery）的性能。

锌-水电池作为一种新型的储能设备，利用锌箔作为阳极，HER电催化剂作为阴极，能够实现高效、可持续的电化学能量储存和转换。该电池在放电过程中，锌箔发生氧化反应，同时HER电催化剂在阴极促进氢气的析出，从而实现电能和氢能的同步生成。这一过程无需外部能源输入，具有极大的应用潜力。然而，目前大多数HER催化剂在酸性或碱性环境中表现不佳，限制了其在锌-水电池中的实际应用。因此，开发一种能够在宽pH范围内均表现出优异性能的HER催化剂，对于推动锌-水电池的发展至关重要。

CoMoS-2/CF催化剂的引入，为锌-水电池的性能提升提供了新的思路。该催化剂不仅在酸性和碱性条件下均表现出出色的HER性能，还能够在锌-水电池中作为高效的阴极材料，显著提高电池的功率密度和稳定性。实验结果显示，该催化剂在碱性锌-水电池中能够实现高达8.9 mW cm?2的峰值功率密度，并且在15小时的测试中仍能保持良好的性能。这表明CoMoS-2/CF不仅在水分解过程中表现出色，还具备良好的应用前景，特别是在需要宽pH环境适应性的能量存储和转换系统中。

为了深入理解CoMoS-2/CF催化剂的优异性能，研究人员通过密度泛函理论（Density Functional Theory, DFT）计算分析了其电子结构的变化。结果表明，Co?S?与MoS?在异质界面处的协同作用能够有效调节MoS?表面的电子分布，优化氢吸附的吉布斯自由能。这种电子结构的调控不仅提升了催化剂的活性，还增强了其在不同pH环境下的适应能力。此外，异质界面的晶格失配效应能够产生有益的应变，进一步促进电荷的重分布和阴离子空位的形成，从而改善催化剂的结构稳定性和催化效率。

在实际应用中，CoMoS-2/CF催化剂的优势不仅体现在其优异的催化性能上，还在于其结构设计的创新性。传统的HER催化剂往往需要复杂的合成步骤和额外的粘结剂来增强其机械强度，而CoMoS-2/CF采用了一种简便的一锅法水热合成工艺，无需使用粘结剂即可实现自支撑结构的构建。这种结构设计不仅降低了催化剂的制备成本，还提高了其在实际操作中的稳定性和耐久性。同时，三维多孔结构能够提供更大的比表面积，促进反应物的扩散和产物的释放，从而进一步提升催化效率。

此外，该研究还强调了催化剂在实际工业应用中的重要性。随着全球对清洁能源的需求不断增长，电化学水分解技术的产业化成为关键。然而，催化剂的性能和成本是影响该技术推广的两大核心因素。CoMoS-2/CF催化剂的开发，不仅解决了传统贵金属催化剂成本高、资源稀缺的问题，还通过结构优化提升了其在不同pH环境下的适应性，使其能够适用于更广泛的工业场景。这一成果为未来开发高效、经济的绿色氢生产技术提供了新的方向，同时也为锌-水电池等新型储能设备的优化提供了理论支持和实践基础。

综上所述，本研究通过创新的材料设计和结构调控，成功开发出一种在宽pH范围内均表现出优异HER性能的非贵金属催化剂CoMoS-2/CF。该催化剂不仅在酸性和碱性电解液中展现出低过电位和高电流密度的催化活性，还在高电流密度下保持了良好的稳定性。同时，其在锌-水电池中的应用也证明了其在能量存储和转换领域的巨大潜力。这些发现为绿色氢生产技术的进一步发展提供了重要的科学依据，并为相关领域的应用拓展打开了新的可能性。