我国加速发展氢能产业 多方面已取得数个突破性进展

图 单原子级分散的Pt/1T′相二硫化钼（s-Pt/1T′-MoS2）的结构以及电催化析氢性能表征。（a-c）s-Pt/1T′-MoS2的透射电子显微镜图像（a）、能量色散X射线谱元素分布图像（b）和扫描透射电子显微镜高角环形暗场像（c）。（d,e）s-Pt/1T′-MoS2和商用HiSPEC 9100 Pt/C催化剂按照几何面积归一化的电流密度（d）和按照Pt质量归一化的电流密度（e）。（f）s-Pt/1T′-MoS2和商用HiSPEC 9100 Pt/C催化剂在−50 mV过电位下的质量活性及其与文献报道催化剂的对比。（g）在指数坐标下，s-Pt/1T′-MoS2在3个不同浮动电极（E1, E3, E5）上按照Pt质量归一化的电流密度以及拟合结果。（h）在指数坐标下，商用HiSPEC 9100 Pt/C催化剂在3个不同浮动电极（E2, E4, E6）上按照Pt质量归一化的电流密度以及拟合结果。（i）s-Pt/1T′-MoS2和商用HiSPEC 9100 Pt/C催化剂按照Pt质量归一化的交换电流密度及其与文献报道催化剂的对比。注：图（f）和（i）中的参考文献编号为原文中的参考文献编号。Copyright © 2023 Springer Nature.

 

　　在国家自然科学基金项目（批准号：52131301）等资助下，香港城市大学深圳研究院张华教授课题组制备了具有高纯度1T′相的过渡金属二硫化物（Transition Metal Dichalcogenide, TMD）纳米片载体，研究了贵金属Pt在TMD载体上的晶相依赖生长规律。该课题组制备出的1T′-TMD基Pt电催化剂具有优异的电催化析氢活性，高于之前报道的Pt基催化剂，并表现出优异的电催化水分解性能，具有极大的工业化应用潜力。研究成果以“铂在二硫化钼上的晶相依赖生长以实现高效产氢（Phase-dependent growth of Pt on MoS2 for highly efficient H2 evolution）”为题，于2023年9月14日在《自然》（Nature）杂志上发表。论文链接：https://www.nature.com/articles/s41586-023-06339-3。

 

　　氢气是一种理想的可再生能源载体，电催化析氢反应能够清洁、高效地制备氢气，是未来制备绿氢的重要方式，并有助于国家实现碳达峰、碳中和的目标。合理设计并制备合适的载体是开发高效稳定的催化剂、实现电催化析氢大规模应用的关键。非常规1T′相TMD纳米片因其良好的导电性以及电催化活性，具备作为理想催化剂载体的潜力。然而，制备高纯度、高质量的1T′相TMD纳米片长久以来都存在挑战；此外，利用非常规相TMD纳米片载体的晶相调控其它材料生长的研究，目前仍处于摸索阶段。

 

　　针对以上两个难题，他们首先开发了一种制备高纯1T′-TMD纳米片的新方法，该方法可制备出厚度均匀（1.4±0.4 nm）、横向尺寸为微米尺度的1T′-MoS2纳米片。作为对比样，他们还制备了厚度、尺寸相似的 2H-MoS2纳米片。在此基础上，通过光化学还原方法，他们在上述不同晶相的MoS2纳米片上生长了Pt。研究结果表明，使用2H-MoS2作为载体，有助于Pt纳米颗粒的外延生长；而使用1T′-MoS2作为载体，则能够使Pt维持单原子级（s-Pt）分散，其中Pt载量高达10.0 wt%（图1（a）－（c））。上述结果表明，载体的晶相是控制其它材料在其表面上生长的关键因素。

 

　　随后，该研究使用浮动电极（floating electrode）技术测试了所制备单原子级分散的Pt/1T′相二硫化钼（s-Pt/1T′-MoS2）材料的电催化析氢活性。研究结果表明，s-Pt/1T′-MoS2催化剂具有超过商用Pt/C催化剂的面积活性与质量活性（图1（d），（e））。在−50 mV过电位下，s-Pt/1T′-MoS2催化剂的质量活性（85±23 A mgPt−1）超过了之前所报道的Pt基催化剂（图1（f））。结合实验与理论模拟数据，他们发现s-Pt/1T′-MoS2催化剂表现出极高的交换电流密度（127 A mgPt−1，按照Pt质量归一化，如图1（g）－（i））。理论计算结果表明，s-Pt/1T′-MoS2催化剂中吸附在钼（Mo）原子上的Pt原子具有接近于0的氢吸附自由能，解释了该催化剂具有优异电催化析氢活性的成因。初步的探索实验表明，该催化剂能够在质子交换膜水电解槽中稳定工作500小时，展现出良好的工业化应用前景。

 

　　综上所述，该研究开发了一种制备1T′-TMD纳米片的新方法，详细探讨了贵金属在1T′-TMD和2H-TMD纳米片载体上的晶相依赖生长规律，并由此开发了一种高效、稳定的电催化析氢催化剂。该研究成果扩展了纳米材料相工程（Phase Engineering of Nanomaterials, PEN）这一研究领域，推动了高效、稳定催化剂的设计与开发，为清洁能源技术的快速发展开辟了新途径。