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近日，西北工业大学的徐飞教授在《Chemical Communications》上发表了题为“Engineering heterostructured Mo2C/MoS2 catalyst with hydrophilicity/aerophobicity via carbothermal shock for efficient alkaline hydrogen evolution”的论文。该研究通过超快速碳热冲击法合成了Mo2C/MoS2异质结构催化剂（Mo2C/MoS2-CP），并研究了其HER性能。研究发现，Mo2C/MoS2-CP催化剂具有优异的HER活性，在1 M KOH电解液中，过电位仅为191.4 mV，Tafel斜率为64.5 mV dec-1，优于MoS2、Mo2C和Pt/C等催化剂。此外，Mo2C/MoS2-CP催化剂还具有良好的稳定性，在100 mA cm-2的电流密度下，100小时内的过电位仅略有增加。该研究结果表明，Mo2C/MoS2异质结构可以有效提高催化剂的HER活性，Mo2C/MoS2-CP催化剂有望应用于氢能生产领域。
研究背景
随着化石燃料的过度消耗导致的环境污染和能源枯竭问题日益严重，清洁能源的开发利用成为全球关注的焦点。氢能作为一种清洁能源，具有高能量密度和零碳排放的优势，被认为是未来能源的重要发展方向。电化学水裂解制氢（HER）是氢能生产的重要途径，其中HER催化剂的性能直接影响到氢能的生产效率。然而，目前商业化的Pt基催化剂价格昂贵且资源有限，限制了氢能的广泛应用。因此，开发高性能、低成本的HER催化剂成为当前研究的热点。
研究亮点
1. 超快速合成方法：利用超快速碳热冲击法，在2秒内快速合成Mo2C/MoS2异质结构催化剂，实现了高效、便捷的催化剂制备。
2. Mo2C/MoS2异质结构：构建的Mo2C/MoS2异质结构有效调节了Mo位点的电子结构，促进了电荷转移，从而提高了催化剂的HER活性。
3. 优异的HER性能：Mo2C/MoS2-CP催化剂在1 M KOH电解液中表现出优异的HER活性，过电位仅为191.4 mV，Tafel斜率为64.5 mV dec-1，优于MoS2、Mo2C和Pt/C等催化剂。
4. 良好的稳定性：Mo2C/MoS2-CP催化剂具有良好的稳定性，在100 mA cm-2的电流密度下，100小时内的过电位仅略有增加。
5. 优异的表面性质：Mo2C/MoS2-CP催化剂具有优异的亲水性和疏气性，有利于电解质的快速润湿和氢气泡的及时释放，从而加速了HER动力学过程。
图文概览
图1：该图展示了Mo2C/MoS2-CP催化剂的合成过程和形貌特征。图1a是Mo2C/MoS2-CP催化剂合成过程的示意图，通过超快速碳热冲击法，在碳纸上构建了Mo2C/MoS2异质结构。图1b是Mo2C/MoS2-CP催化剂的扫描电子显微镜（SEM）图像，可以看出催化剂表面分布着层状MoS2纳米片。图1c是Mo2C/MoS2-CP催化剂的透射电子显微镜（TEM）图像，可以清晰地看到MoS2纳米片层层堆叠的结构。图1d是Mo2C/MoS2-CP催化剂的高分辨率透射电子显微镜（HRTEM）图像，可以看出MoS2纳米片和Mo2C纳米粒子之间存在异质界面。图1e展示了Mo2C和MoS2的快速傅里叶变换（FFT）模式，可以确定MoS2纳米片的晶面间距为0.25 nm（（102）平面）和0.235 nm（（200）平面）。图1f是Mo2C/MoS2-CP催化剂的原子力显微镜（AFM）图像，可以观察到催化剂表面具有纳米级的粗糙度。
图2：该图展示了Mo2C/MoS2-CP催化剂的结构和组成信息。图2a是Mo2C-CP、MoS2-CP和Mo2C/MoS2-CP催化剂的X射线衍射（XRD）图谱，可以看出Mo2C/MoS2-CP催化剂中同时存在MoS2和Mo2C的衍射峰，证实了Mo2C/MoS2异质结构的形成。图2b是Mo2C/MoS2-CP和MoS2-CP催化剂的X射线光电子能谱（XPS）全谱图，可以看出Mo2C/MoS2-CP和MoS2-CP催化剂中均存在C、Mo和S元素。图2c是Mo2C/MoS2-CP和Mo2C-CP催化剂的C 1s XPS图谱，可以看出Mo2C/MoS2-CP催化剂中存在额外的Mo-C峰，证实了Mo2C/MoS2异质结构的形成。图2d是Mo2C/MoS2-CP催化剂的Mo 3d XPS图谱，可以看出Mo2C/MoS2-CP催化剂中存在多种Mo的价态，证实了Mo2C/MoS2异质结构对Mo的电子结构进行了调节。
图3：该图展示了Mo2C/MoS2-CP催化剂的表面性质。图3a是Mo2C/MoS2-CP和CP催化剂的接触角测试结果，可以看出Mo2C/MoS2-CP催化剂具有优异的亲水性，接触角仅为47.61°，远低于CP催化剂的138.51°。图3b是CP和Mo2C/MoS2-CP催化剂在HER过程中氢气泡的形貌变化，可以看出CP催化剂表面覆盖着大量的大气泡，而Mo2C/MoS2-CP催化剂表面只有少量的小气泡。图3c是CP和Mo2C/MoS2-CP催化剂在HER过程中氢气泡尺寸分布，可以看出CP催化剂表面存在大量的大气泡，而Mo2C/MoS2-CP催化剂表面存在大量的小气泡。
图4：该图展示了Mo2C/MoS2-CP催化剂的HER性能。图4a是CP、Mo2C-CP、MoS2-CP、Mo2C/MoS2-CP和Pt/C催化剂的LSV曲线，可以看出Mo2C/MoS2-CP催化剂在低电流密度下表现出优异的HER活性，过电位低于MoS2、Mo2C和Pt/C等催化剂。图4b是CP、Mo2C-CP、MoS2-CP、Mo2C/MoS2-CP和Pt/C催化剂的Tafel曲线，可以看出Mo2C/MoS2-CP催化剂的Tafel斜率低于MoS2、Mo2C和Pt/C等催化剂，表明其HER动力学更快。图4c是CP、Mo2C-CP、MoS2-CP、Mo2C/MoS2-CP和Pt/C催化剂的循环伏安曲线（CV），可以看出Mo2C/MoS2-CP催化剂具有良好的循环稳定性。图4d是CP、Mo2C-CP、MoS2-CP、Mo2C/MoS2-CP和Pt/C催化剂的Nyquist图，可以看出Mo2C/MoS2-CP催化剂的电荷转移电阻（Rct）最小，表明其电荷转移速率最快。图4e是Mo2C/MoS2-CP催化剂在10 mA cm-2的电流密度下进行chronoamperometry测试的结果，可以看出Mo2C/MoS2-CP催化剂具有良好的稳定性，100小时内过电位仅略有增加。
总结展望
总之，本研究通过超快速碳热冲击法合成了Mo2C/MoS2异质结构催化剂，并系统地研究了其HER性能。研究发现，Mo2C/MoS2异质结构可以有效调节Mo位点的电子结构，促进电荷转移，从而提高催化剂的HER活性。此外，Mo2C/MoS2-CP催化剂具有优异的亲水性和疏气性，有利于电解质的快速润湿和氢气泡的及时释放，从而加速了HER动力学过程。Mo2C/MoS2-CP催化剂在1 M KOH电解液中表现出优异的HER性能，过电位仅为191.4 mV，Tafel斜率为64.5 mV dec-1，优于MoS2、Mo2C和Pt/C等催化剂。此外，Mo2C/MoS2-CP催化剂还具有良好的稳定性，在100 mA cm-2的电流密度下，100小时内的过电位仅略有增加。该研究结果表明，Mo2C/MoS2异质结构可以有效提高催化剂的HER活性，Mo2C/MoS2-CP催化剂有望应用于氢能生产领域。
本文徐飞教授团队实验室中使用的焦耳加热装置为合肥原位科技有限公司研发。
