氢气是下一代清洁和可再生能源的最佳燃料。现有的制氢技术有化学催化裂解、光/电化学催化分解水等，其中电化学技术具有转化效率高、绿色等优点而被广泛采用。目前，贵金属铂是电催化分解水制氢的最佳催化剂，然而其价格昂贵且资源稀少，所以寻找高催化活性的非贵金属催化剂是当今该领域的研究热点。现有研究表明，二维层状二硫化钼（MoS₂）材料被誉为潜在的析氢反应（HER）电催化剂。但未剥离的块状MoS₂有着较差的电子传导性和很大的HER过电势。因此，如何提高MoS₂材料对HER的电催化活性是当前的一个重要挑战。

 

    威尼斯wnsr888(亚洲)集团有限公司夏兴华课题组潜心于层状仿生材料的设计和性能研究（NPG Asia Mater. 2017, 9, 354; J. Am. Chem. Soc. 2015, 137, 7365; Anal. Chem. 2015, 87, 5831; Nat. Commun. 2014, 5, 1）。他们提出了局域化表面等离子体共振（LSPR）增强电化学反应的新设想，通过Au纳米棒的LSPR效应将热电荷注入到MoS₂导带，增加MoS₂的电荷密度，使催化剂的能级与HER能级更加匹配，降低反应过电势（J. Am. Chem. Soc. 2015, 137, 7365）。受此工作启发，即增加MoS₂的电荷密度有利于促进HER催化活性，近期他们利用溶剂热法合成出锌掺杂的片层二硫化钼纳米花结构（Zn-MoS₂）（图1），通过过渡金属的掺杂来提高MoS₂的电荷密度。该工作以Zn-MoS₂材料作为设计模型，强调材料设计要同时兼顾热力学（能级匹配）和动力学（丰富的催化活性位点）两方面（图3）。锌元素的掺杂使得MoS₂与反应底物能级更加匹配，提高了两者之间电子交换的可能性；另一方面，掺杂后的MoS₂具有更多的HER催化活性位点和导电性，大大增加了电子传递到活性位点发生化学反应的概率。基于此设计，Zn-MoS₂材料对HER催化过电位降低到130 mV，Tafel斜率为51 mV/dec，转换频率高达15.44 s^-1，超过目前报道的大部分MoS₂材料（图2）。该工作发表于《美国化学会志》（J. Am. Chem. Soc. 2017, DOI: 10.1021/jacs.7b08881），论文第一作者为16级博士生施毅同学。该工作得到国家自然科学基金面上项目（21327902, 21635004, 21675079）和国家重点研究发展规划项目（2017YFA0206500）等支持。

 

图1. Zn-MoS₂片层材料的形貌表征

 

图2. Zn-MoS₂片层材料的电化学表征

 

图3. 锌掺杂MoS₂增强HER的机理探讨