注：文末有研究团队简介及本文科研思路分析
电催化析氢反应（HER）通过水分解产生高纯度且廉价的氢气，然而这些多电子转移过程的动力学反应迟钝，需要高效的电催化剂才能达到实用化的程度。层状的硫化钼材料成本低、资源丰富且其边缘Mo位点具有最佳的H吸附能，被认为是一种最有希望替代Pt的析氢催化剂，因此受到广泛关注。根据MoS2析氢反应动力学方程可知，MoS2电极在固定电势时的整体动力学性能受两个因素支配：（1）反应中间物种吸附氢原子与表面活性位点之间的相互作用能；（2）反应物浓度。当前提高MoS2催化性能的策略主要是针对前者，通过暴露更多边缘位置、引入面内硫空位和调控相变等方式来调控反应中间物种吸附氢原子与表面活性位点之间的相互作用能，很少涉及到对反应物浓度的研究。需要强调的是反应物的浓度并非是反应液的体相浓度，而是电极界面上反应物的浓度，该浓度主要依赖于界面处电极材料的特性。因此，促进MoS2的HER动力学需要构建条件良好的催化剂表面，该催化剂表面可以优先吸附反应物（水合氢氧离子或水分子）。但是，这种界面调控在很大程度上被研究者忽视，因为很难从分子或原子尺度上精准地调控反应界面性质。
最近，中国科学院长春应化所的葛君杰研究员（点击查看介绍）与中国科学院上海应用物理研究所的姜政研究员（点击查看介绍）合作通过构建一个双阴离子MoS2析氢表面，调控其催化活性，在硫化钼催化析氢方面取得突破性进展。研究团队通过双金属杂原子掺杂策略，实现双阴离子（-OH和-S）MoS2析氢表面的构建。这里，引入的金属杂原子一方面可以活化MoS2的惰性S原子；另一方面，也是本工作的亮点，通过可控的方式部分取代界面上的S位，引入OH阴离子。引入的-OH官能团通过与反应物（氢离子和水分子）形成氢键，吸引反应物靠近内亥姆霍兹平面（ICP）的位置，从而有利于形成对反应物友好的界面。此外，-OH位点还能与相邻的金属位点（M-OH）共同作用，促进碱性介质中水解离，从而极大地提高了MoS2的HER活性，酸性性能与Pt接近，在碱性体系下甚至优于目前商用的Pt基催化剂。该工作通过设计良好的催化界面，为设计其他催化材料用于非均相催化提供了一个新的方向。
这一成果近期发表在Nature Communications 上，文章的第一作者是中国科学院长春应化所博士研究生罗兆艳和中国科学院上海应用物理研究所博士研究生张浩、杨予琪。
原文（扫描或长按二维码，识别后直达原文页面，或点此查看原文）：
Reactant friendly hydrogen evolution interface based on di-anionic MoS2 surface
Zhaoyan Luo, Hao Zhang, Yuqi Yang, Xian Wang, Yang Li, Zhao Jin, Zheng Jiang, Changpeng Liu, Wei Xing, Junjie Ge
Nat. Commun., 2020, 11, 1116, DOI: 10.1038/s41467-020-14980-z
葛君杰研究员简介
葛君杰，中国科学院长春应用化学研究所研究员，博士生导师。2010年于长春应化所取得博士学位，2010-2015年先后在南卡莱罗那大学、夏威夷自然能源研究所从事博士后研究工作，2015年三月起就职于长春应化所。
研究兴趣为聚合物电解质（SPE）能源系统的电催化基础研究。针对PEM 能源体系电催化过程对贵金属的过度依赖，力图通过对催化活性中心原子层次结构实施改造，探索替代传统催化剂的新型低/非贵金属催化路径。先后主持多项国家及省部级科研项目，如国家重点研发计划“新能源汽车专项”课题、国家自然科学基金面上项目、科学院仪器研发项目等，获得2017年度吉林省科技进步一等奖（排名第三）。作为通讯作者已在包括J. Am.Chem. Soc., Nature Commun.，Angew. Chem. Int. Ed.，Energy. Environ. Sci. 等发表SCI论文>80篇,被引2000余次，多篇被选为高被引论文,为上述杂志活跃审稿人，多次在国际国内会议做邀请报告。
https://www.x-mol.com/university/faculty/69017
姜政研究员简介
姜政，中国科学院上海高等研究院研究员，博士生导师。现为上海光源X射线吸收谱学线站负责人，上海光源线站工程谱学分总体负责人、经理助理，北京同步辐射装置用户委员会委员。姜政研究员博士毕业于中国科学技术大学同步辐射及应用专业，分别于2007、2013年作为高级访问学者前往 Australian Synchrotron 和 BESSYII HZB 交流学习。
现要研究方向为同步辐射谱学（SRXS）技术的发展及在能源材料中的应用。与合作者在国际期刊上共发表300余篇，被引3000余次。
https://www.x-mol.com/university/faculty/56490
科研思路分析
Q：这项研究最初是什么目的？或者说想法是怎么产生的？
A：如上所述，我们的研究兴趣是研究开发高性价比的析氢催化剂取代昂贵的Pt基催化剂。众所周知，MoS2因其边缘Mo位点具有最佳的H吸附能，引起研究者的广泛关注。近年来，研究者探究了各种策略来从热力学角度来活化硫化钼的析氢活性（主要是调控H吸附能）。而我们的研究目的,通过调控反应界面的性质来调控HER的反应动力学。分析可知，硫化钼析氢过程的反应动力学方程很大程度上依赖反应物的浓度。因此，我们想通过往硫化钼分子的表面内引入亲反应物的分子基团来加快MoS2的HER动力学。考虑到-OH可以与反应物（水合离子和水分子）形成强的氢键作用，吸引反应物靠近ICP，实现反应界面的调控，本工作想往硫化钼的体系中引入部分-OH基团，构建双阴离子反应表面。
Q：研究过程中遇到哪些挑战？
A：本项研究中最大的挑战是如何控制OH量的引入，找到OH和HER动力学性能的一一对应关系；未来，需要进一步简化体系，构建相对简单的模型催化剂，研究反应界面和催化性质之间的构效关系。此外，很难从实验角度直观地观察到OH基团与反应物之间的作用力；催化剂过程的动力学行为也是未来研究的重点课题，未来希望有相关领域的研究者一起合作将研究推动到更高的层次。
0
