第一作者：周兴伟

通讯作者：张伟、邹旭

通讯单位：吉林大学

【研究背景】

氢能是一种清洁无碳、灵活高效、利用形式多样的二次能源，大力发展氢能产业、加速能源结构的清洁化转型是实现“双碳目标”的理想途径。利用可再生能源供电系统耦合电解水技术制取脱碳化“绿氢”是未来氢能产业发展的战略方向。电解水反应是一个高能耗过程，在热力学及动力学上均不易发生，提升电解水反应整体效率的关键在于高效催化材料的研发。

【文章简介】

近年来，大量不含贵金属的催化材料已经被广泛研究，但这些材料只在氢析出反应（HER）或氧析出反应（OER）中表现出较好的电催化活性，而对于HER和OER均有效的双功能电催化剂的相关研究则较少。

近期，吉林大学郑伟涛教授研究团队周兴伟等人通过水热-退火-水热法在碳布（CC）上制备了一种氮掺杂CoS₂和MoS₂纳米片耦合的双功能电催化剂（MOS/COS/CC），所制备的MOS/COS/CC催化剂具有丰富的活性位点以及稳定的结构，在碱性电解液中表现出优异的HER和OER性能。相关工作以N‑doped carbon anchored CoS₂/MoS₂nanosheets as efficientelectrocatalysts for overall water splitting 为题于2022年7月18号发表在Frontiers of Optoelectronics期刊上。

【图文导读】

创新点一：简单水热-退火-水热法制备不同MoS₂含量的MOS/COS/CC催化剂

利用水热-退火- 水热 法在碳布上生长氮掺杂 CoS ₂ /MoS ₂ 纳米片 催化材料的合成过程示意图如图 1 所示，不同合成时间时 MOS/COS/CC 的扫描电镜（SEM）照片如图2所示。通过控制第二步水热反应时间，得到含有不同尺度 MoS ₂ 与 CoS ₂ 复合的催化材料。 MoS ₂ 生长时间显著影响催化剂的表面积（图2），随着水热时间的增加，沉积在基底上的 MoS ₂ 纳米片的数量逐渐增加，当沉积时间过长时，催化剂表面出现了裂痕。

图1 MOS/COS/CC的合成示意图。

图2 不同合成时间时 MOS/COS/CC 的SEM 照片： （ a,e ） 2h, （ b,f ） 4h, （ c,g ） 6h, （ d,h ） 8h 。

MOS/COS/CC的x射线衍射（XRD）图谱证明了MoS₂与CoS₂的生成，其中MoS₂为六方2H相（图3）。高分辨透射电镜（HRTEM）照片中0.65 nm晶面间距对应六方相MoS₂的（002）晶面，0.245 nm对应于CoS₂的（210）晶面，这证实了CoS₂/MoS₂异质结构的存在。透射电镜-能谱仪（TEM-EDX）照片表明在MOS/COS/CC中Mo、S、Co和N元素是均匀分布的（图4）。

图3 MOS/COS/CC 的 XRD 谱图。

图4 (a)和(b)为MOS/COS/CC的TEM照片和HRTEM照片，(c)和(d)为MOS/COS/CC的元素分布图。

创新点二：MOS/COS/CC催化剂表现出优异的HER和OER性能

MOS/COS/CC 催化剂的HER 和OER 性能与商用催化剂的比较如图5所示。我们比较了1.0 mol/L的KOH溶液中不同MoS₂生长时间的MOS/COS/CC催化剂与商用RuO₂催化剂的OER性能。线性伏安扫描曲线（LSV）显示MOS/COS/CC-6H表现出最低过电势（197 mV），并且低于商业RuO₂催化剂。此外，MOS/COS/CC-6H催化剂具有最低的Tafel斜率（64 mV dec^-1），表明该材料具有较快的反应动力学，这有利于催化反应的进行。此外，我们比较了1.0 mol/L的KOH中不同MoS₂生长时间的MOS/COS/CC催化剂与商用Pt/C催化剂的HER性能。不难发现，MOS/COS/CC-6H同样显示出优异的HER性能。MOS/COS/CC-6H还具有优于商业RuO₂的稳定性。MOS/COS/CC-6H出色的催化活性及稳定性得益于MoS₂与CoS₂的多级结构使材料暴露出更多的催化活性位点，同时原位生长在CC上的三维自支撑结构表现出了优异的结构稳定性。

图5 不同 MoS ₂ 生长时间的 MOS/COS/CC 催化剂与商用 RuO ₂ 和Pt /C 催化剂的 OER 和 HER 性能测试结果：( a)OER 测试线性伏安扫描图， (b ) OER 测试的 Tafel 曲线，（c ）HER 线性伏安扫描图，( d)HER 测试的 Tafel 曲线，(e ) 稳定性测试结果。

【总结和展望】

我们发展了一种简单有效的异质结构构筑方法，制备的MOS/COS/CC催化剂在碱性溶液中显示出优异的OER和HER活性。其出色的性能归因于丰富的活性位点以及稳定的形态和结构。我们提出的合成方法为开发多级结构纳米复合材料提供了一种有效的策略。

【通讯作者介绍】

张伟，吉林大学电子显微镜中心主任、唐敖庆学者-领军教授、博士生导师。兼任中国物理学会表面与界面物理专业委员会委员、吉林省电镜学会副理事长。2004年获得中国科学院金属研究所博士学位，先后在日本国立材料研究所、韩国三星综合技术研究院、德国Fritz-Haber研究所、丹麦技术大学和西班牙能源协作研究中心从事科学研究。主持基金委面上项目、重点项目子项和吉林省科技厅国际合作项目等课题，主要研究方向为催化和能源材料的表面/界面化学，先进材料的电子显微分析。

邹旭，博士毕业于吉林大学化学学院，导师李国栋教授。2020年入选吉林大学“鼎新学者”支持计划，进行博士后工作，导师为郑伟涛教授。至今，以第一（含共一）/通讯作者在Adv. Mater.，J. Energy Chem，Angew. Chem. Int. Ed.，Adv. Energy Mater.等重要学术刊物上发表研究论文8篇。其中，Adv. Mater他引超过340次，入选ESI“高被引论文”。此外，申请中国发明专利两项。主持基金委青年项目、博士后面上项目（一等）等科研项目3项。