多层结构的三组分MoS?/Mo?C/MoO?纳米球在不同的pH条件下能够实现稳定的氢气生成

《International Journal of Hydrogen Energy》：Multi-level structured ternary MoS 2/Mo 2C/MoO 2 nanospheres facilitates robust hydrogen generation under varying pH conditions

三相异质结构纳米球MoS?/Mo?C/MoO?通过高温退火与水解法制备，显著提升宽pH范围（0-14）下析氢反应（HER）活性，过电位低至118-164mV，稳定性优异，为异质界面工程开发高效pH通用电催化剂提供新策略。

　　本研究提出了一种创新的多相异质界面调控策略，用于开发具有广泛pH适用性的高性能电催化材料。随着全球经济的快速发展和环境问题的日益严峻，寻找可持续的清洁能源替代方案成为全球关注的焦点。氢气作为一种清洁、高效的能源载体，近年来受到了广泛关注。电催化水分解技术因其高效率、低能耗和环境友好性，被视为制备高纯度氢气的重要方法之一。然而，当前的电催化材料在不同pH条件下表现存在差异，限制了其在实际应用中的广泛适应性。因此，开发一种能够在多种pH环境中保持高效催化活性的材料，成为提升水电解技术实用性和经济性的关键。

在众多可能的催化剂中，基于钼的材料因其在全pH范围内的良好催化性能而受到研究者的青睐。钼碳化物（Mo₂C）因其与贵金属相似的催化行为，尤其是在酸性条件下的高效性，被广泛研究。然而，商用钼碳化物的催化效率仍不够理想，这促使科学家们探索多种改进策略，如缺陷工程、形貌调控、异原子掺杂和界面工程等。尽管已有显著进展，但钼碳化物的导电性不足和缺乏层状孔隙仍然是其催化性能提升的主要障碍。

钼氧化物（MoO₂）作为一种金属过渡氧化物，因其良好的导电性和多价态特性，也被认为是优异的HER催化剂。此外，钼硫化物（MoS₂）因其高酸碱稳定性、丰富的元素资源和固有的高催化活性而备受关注。MoS₂的活性位点主要分布在边缘，而其表面活性位点数量有限，这导致其催化活性相对较低。通过在MoO₂和Mo₂C异质结基础上进行原位硫化处理，可以部分转化为MoS₂，从而形成更优的异质结构，并在界面中产生更多的缺陷，进一步提升催化性能。

本研究通过一种三步法，成功制备了具有三维纳米球结构的MoS₂/Mo₂C/MoO₂异质结催化剂。首先，在室温下通过搅拌将二氨基吡啶、钼酸铵和氢氧化钠溶解于去离子水中，随后通过逐滴加入过硫酸铵溶液，形成Mo₂C/MoO₂的前驱体。接着，在高温退火处理过程中，前驱体逐渐转化为Mo₂C/MoO₂复合材料。最后，通过水热法引入硫源，使MoS₂均匀分布在Mo₂C/MoO₂表面，从而构建出具有多相异质界面的复合结构。

这种异质结构的构建不仅提高了材料的导电性，还增强了电子转移效率。在不同pH条件下，该催化剂表现出优异的HER性能。在酸性条件下，其过电位为118 mV，Tafel斜率为64.4 mV dec^?1；在碱性条件下，过电位为145 mV，Tafel斜率为74.5 mV dec^?1；在中性条件下，过电位为164 mV，Tafel斜率为67.8 mV dec^?1。这些数据表明，该催化剂在广泛的pH范围内均能保持较高的催化活性。此外，该催化剂在所有pH条件下均表现出良好的操作稳定性，这对于实际应用具有重要意义。

该催化剂的优异性能主要归因于其独特的三维纳米球结构和多相异质界面。三维结构提供了更大的比表面积，有助于更多HER活性位点的暴露。同时，MoS₂的均匀分布增强了复合材料的导电性，从而提升了整体的催化效率。多相异质界面的存在则促进了电子的传输和中间产物的脱附，进一步优化了催化反应的路径。这些特性共同作用，使得MoS₂/Mo₂C/MoO₂异质结催化剂在不同pH环境下均能表现出出色的性能。

本研究通过系统的实验设计和理论分析，验证了多相异质界面工程在提升HER催化性能方面的有效性。该策略不仅适用于钼基材料，还为其他非贵金属催化剂的设计提供了新的思路。此外，该研究还探讨了材料的制备工艺、结构调控和性能优化之间的关系，为未来开发高性能、广谱适用的电催化材料奠定了基础。

值得注意的是，本研究中的材料制备方法具有一定的可扩展性，能够适应不同的合成条件和工艺参数。通过调整前驱体的组成、退火温度和水热反应时间，可以进一步优化催化剂的性能。同时，该研究还强调了材料表面活性位点的重要性，指出通过调控材料的结构和界面特性，可以有效提升其催化活性。这些发现不仅有助于理解多相异质界面在催化反应中的作用机制，还为实际应用提供了重要的理论支持。

本研究的成果对于推动绿色氢能技术的发展具有重要意义。通过开发一种能够在多种pH条件下保持高效催化性能的材料，可以降低水电解技术对特定环境条件的依赖，提高其在不同应用场景中的适应性和实用性。此外，该催化剂的制备方法相对简单，成本较低，具有良好的工业化前景。未来，可以进一步探索该催化剂在其他电化学反应中的应用潜力，如氧析出反应（OER）和二氧化碳还原反应（CO₂RR），以拓展其在能源转换领域的应用范围。

综上所述，本研究通过构建多相异质界面，成功开发了一种具有优异HER性能的纳米球结构催化剂。该材料在广泛的pH范围内表现出良好的催化活性和稳定性，为开发高效、广谱适用的电催化材料提供了新的方向。同时，该研究还为理解多相异质界面在催化反应中的作用机制提供了重要的实验依据和理论支持。未来，随着对催化剂结构和性能调控的深入研究，有望进一步提升其在实际应用中的性能，推动绿色氢能技术的商业化进程。