西安交大科研团队在电催化析氢研究方面取得重要进展

化石能源的大量开采与使用导致了现如今严峻的能源短缺与环境污染问题。氢能因其高能量密度和可再生性成为最具潜力的清洁能源之一。目前，通过电解水催化制氢只占工业制氢总量的4%，这是由于传统的析氢电催化剂往往是Pt/Ir等贵金属，其成本高昂、资源稀缺。因此，探究一种可替代Pt/Ir等贵金属的电催化剂变得势在必行。过渡金属硫化物（TMDs）因其可调控的禁带宽度、接近于零的析氢吉布斯自由能以及高性价比等特点被认为是替代Pt/Ir等贵金属成为下一代析氢反应电催化剂的不二之选。然而，TMDs电催化析氢性能受限于天然稀疏的催化位点、其自身较差的导电性以及其与基底较弱的电学接触性、传统二维材料叠片式的纳米结构会封闭绝大多数的层间催化位点。

近日，西安交通大学航天航空学院申胜平教授团队针对上述问题设计了一种钨(W)@二硫化钨(WS2)核壳型纳米球结构，揭示了该结构对于WS2电学及化学性能提升的机理，通过微结构设计使得WS2的电催化析氢性能超过了绝大多数同类材料。

该研究发现通过高度弯曲WS2纳米片可使其层间距大幅度拓宽，从而引发强烈的晶格形变，进而暴露出更多的原子空位及缺陷。除了作为WS2纳米片弯曲生长的基底以外，金属W内核使得催化材料的整体导电率提升了4.5倍。在纳米球壳基面上，氢与硫（H-S）以及氢与钨（H-W）结合的吉布斯自由能分别为0.357eV与-0.145eV。相较于平整的W@WS2异质结构，氢在弯曲球壳上的结合更接近平衡态能量。此外，WS2球壳上的W位点展现出了最强的催化活性。该研究还发现，微结构设计有助于调控氢吸附结构、异质界面结构以及费米能级附近的态密度，进而实现更快速高效的氢释放与电子吸附。该研究提出的纳米球团聚型纳米多孔范德华异质结构可解决传统纳米片堆叠所造成的离子嵌入通道封闭的挑战。实验表明，该催化剂的反应电位为161mV（10 mA/cm2时），其在强酸电解液中反应时有着出色的稳定性（持续100 h）以及同类材料中最小的Tafel斜率（34.5 mV/dec）和最大的电化学反应面积（62.2 mF/cm2）。该工作提出了一种实现多位点、高导率TMDs的研究思路，其不仅有助于推动电催化析氢技术的发展，还将丰富电池、电化学电容器以及驱动器的电极材料选择。

该研究工作以“Facilitating electrocatalytic hydrogen evolution via multifunctional tungsten@tungsten disulfide core-shell nanospheres”（通过多功能钨@二硫化钨核壳纳米球促进电催化析氢）为题发表在国际著名学术期刊Journal of Materials Chemistry A上，论文第一单位为西安交通大学航天航空学院，第一作者为博士生冀梁。该工作得到了国家自然科学基金重大项目等项目的资助。

西安交通大学航天航空学院力化学耦合及智能介质实验室（Chemomechanical Coupling and Intelligent Media Laboratory）围绕力化学耦合理论及热防护结构设计、挠曲电理论及智能器件、飞行器结构强度、环境友好功能材料设计、智能飞行器设计及关键力学问题开展科研工作。实验室承担国家自然科学基金重大项目、重点项目、国家杰出青年科学基金、军科委项目、国防863项目、科技部重点研发项目等。在PRL、JMPS、力学学报、中国科学等学术期刊发表高水平论文200余篇。授权发明专利20余项。获教育部自然科学一等奖、国家自然科学二等奖多项。实验室科研团队由申胜平教授领衔，现有教授3人、副教授5人、博士后研究员4人以及硕、博士研究生40余人，功能模块包括材料合成制备、材料力学、电学、电化学及多场耦合加载测试、功能器件设计及性能表征等，拥有激光脉冲沉积系统（PLD），原子力显微镜（AFM），小载荷测试仪以及电-磁-热-力多场耦合系统等一批先进的材料制备及表征设备。

论文链接：https://pubs.rsc.org/en/content/articlelanding/2021/ta/d1ta01094h/unauth#!divAbstract

研究团队网页：http://212.64.67.245:3000/index.html