Engineering heterostructured \( \mathrm{Mo}_2\mathrm{C}/\mathrm{MoS}_2 \) catalyst with hydrophilicity/aerophobicity via carbothermal shock for efficient alkaline hydrogen evolution
通过碳热冲击工程化具有亲水性/疏气性的异质结构Mo₂C/MoS₂催化剂用于高效碱性氢析出反应
论文亮点
- 采用超快碳热冲击法在2秒内成功合成Mo₂C/MoS₂异质结构催化剂，提高了合成效率。
- 催化剂表现出优异的亲水性和疏气性，优化了电解质-催化剂相互作用和氢气泡脱附，促进了HER动力学。
研究背景
- 化石燃料的过度消耗导致严重的环境污染和能源枯竭，迫切需要开发可再生和清洁能源。
- 氢能因其高能量密度和零碳排放被视为有前景的替代能源，碱性水电解制氢是重要途径，但需要高效HER催化剂来降低过电位和促进界面质量转移。
- Pt基催化剂虽活性高，但成本昂贵且耐久性有限，因此开发低成本、高活性的非贵金属催化剂至关重要。
研究方法
本研究采用溶液浸渍和超快碳热冲击法合成Mo₂C/MoS₂异质结构催化剂。具体步骤：
- 使用钼源（四水合钼酸铵）和碳源（葡萄糖）通过碳热冲击过程形成Mo₂C。
- 加热和冷却过程在2秒内完成，温度高达1500°C，避免了传统加热中的氧化和团聚问题。
- 在碳纸（CP）上构建Mo₂C/MoS₂异质结构，通过控制前驱体比例和保持时间优化催化剂性能。
- 使用SEM、TEM、HRTEM、XRD和XPS等手段对催化剂结构和组成进行表征。
主要结论
- Mo₂C/MoS₂异质结构成功调节了Mo位点的电子结构，促进了电荷转移，提高了HER本征活性。
- 催化剂具有增强的亲水性和疏气性，加速了电解质润湿和氢气泡脱附，优化了质量转移过程。
- 在碱性HER中表现出低过电位（191.4 mV at 10 mA cm⁻²）、低Tafel斜率（64.5 mV dec⁻¹）和优异稳定性（100小时）。
Fig. 1: 催化剂合成和结构表征
Fig. 1 (a) 超快加热合成Mo₂C/MoS₂-CP的示意图；(b) SEM图像；(c) TEM图像；(d) HRTEM图像显示异质界面；(e) FFT模式（上: Mo₂C, 下: MoS₂）；(f) HAADF-STEM图像和元素映射。
分析结果: HRTEM图像显示MoS₂纳米片边缘形成Mo₂C和MoS₂的异质界面，晶格间距0.25 nm对应MoS₂的(102)面，0.235 nm对应Mo₂C的(200)面。元素映射显示C、S和Mo均匀分布，证实异质结构的成功构建。
Fig. 2: XRD和XPS分析
Fig. 2 (a) Mo₂C-CP、MoS₂-CP和Mo₂C/MoS₂-CP的XRD图谱；(b) XPS survey spectra；(c) C 1s光谱；(d) Mo 3d光谱。
分析结果: XRD图谱显示Mo₂C/MoS₂-CP中同时存在MoS₂和Mo₂C的衍射峰，证实异质结构形成。XPS分析显示C 1s光谱中Mo-C键的存在，且Mo 3d光谱中Mo²⁺和Mo⁴⁺价态表明电子结构被调节，Mo²⁺含量在异质结构中更高（33.9% vs 24%），促进了电荷转移。
Fig. 3: 亲水性和疏气性测试
Fig. 3 (a) CP（上）和Mo₂C/MoS₂-CP（下）的接触角测试；(b) 数字图像显示氢气泡行为；(c) 氢气泡尺寸分布。
分析结果: 接触角测试显示Mo₂C/MoS₂-CP具有更好的亲水性（接触角47.6°并在3秒内降至0°），而CP保持高接触角。在高电流密度下，Mo₂C/MoS₂-CP表面氢气泡更小（0.1-0.2 mm），易于脱附，而CP表面气泡更大（0.2-0.8 mm），覆盖活性位点。这表明异质结构工程改善了表面性质，加速了质量转移。
Fig. 4: HER性能评估
Fig. 4 (a) 1M KOH中的LSV曲线；(b) Tafel曲线；(c) Cdl值；(d) Nyquist图；(e) Mo₂C/MoS₂-CP在10 mA cm⁻²下的计时安培曲线。
分析结果: LSV曲线显示Mo₂C/MoS₂-CP具有最低的过电位（191.4 mV at 10 mA cm⁻²）和Tafel斜率（64.5 mV dec⁻¹），表明快速HER动力学。Cdl值最大（2.61 mF cm⁻²），表明更多活性位点。Nyquist图显示最小电荷转移电阻（1.2 Ω），证实快速电荷转移。计时安培测试显示100小时稳定性，仅初始过电位略有增加。