MoS?-xO?/COF-C?N复合材料的制备及其电催化水分解性能：该复合材料具有高活性和稳定性

《Applied Surface Science》：Preparation and electrocatalytic water splitting of MoS 2-xO x/COF-C 4N composite with high activity and stability

氧缺陷改性MoS?-xO?/COF-C?N催化剂实现双功能高效水裂解，在碱性电解液中过电位233 mV（10 mA·cm?2），酸性条件65 mV，整体水裂解1.58 V（pH=0）。DFT揭示界面电荷转移增强活性位点电子积累与耗散协同效应。

　　

任国斌|张楠|杨赵迪|张桂玲

中国黑龙江省哈尔滨市哈尔滨科技大学材料科学与化学工程学院，二氧化碳资源利用与能源催化材料省级重点实验室，邮编150080

摘要

开发高效、低成本的非贵金属基电催化剂引起了广泛关注。本文采用低温湿法工艺合成了用于氢演化反应（HER）、氧进化反应（OER）和整体水分解的MoS_2?xO_x/COF-C₄N电催化剂。电催化测试表明，该催化剂在10 mA·cm^?2电流密度下，碱性OER的过电位为233 mV，在?10 mA·cm^?2电流密度下，酸性HER的过电位为65 mV。因此，当MoS_2?xO_x/COF-C₄N同时作为阴极和阳极时，整个pH范围内的整体水分解反应在pH=0时达到最小电位1.580 V（电流密度10 mA·cm^{?2_2?xO_x与COF-C₂N之间存在明显的界面电荷转移，电子在MoS_2?xO_x基面上积累，而空穴则分布在COF-C₄N骨架上。这项工作为设计先进的多功能非贵金属催化剂以用于高效电催化应用提供了重要见解。}

引言

随着对化石燃料消耗带来的环境问题的日益关注，人们对清洁和可持续能源替代方案进行了大量研究[1]。氢能因其丰富的来源、高能量密度以及环境友好的燃烧副产品而成为有前景的候选能源[2][3][4]。然而，目前的工业氢生产仍然严重依赖化石燃料燃烧，无法满足可持续发展的要求。电催化水分解被认为是生产绿色氢能的有效方法，而高效电催化剂的发展对于推动这项技术向工业化迈进至关重要[5][6][7]。 近期在催化剂设计方面的努力集中在通过多种策略提高催化性能上，包括微观结构调控、导电性改进和活性位点优化[8][9]。特别是通过整合多种催化材料构建复合材料显示出巨大潜力[10]。这种方法有助于实现界面电荷分离和协同效应，同时通过改变组成和晶体相可以生成新的界面结构，从而提高催化活性并拓宽高效整体水分解的应用范围[11]。在各种催化材料中，MoS₂由于其卓越的稳定性、地球上的丰富储量以及与铂相当的有利氢吸附能力而受到广泛关注[12][13]。MoS₂层之间的弱范德华力使得能够制备少层甚至单层结构，显著增加了边缘活性位点[14][15]。然而，其实际应用受到较差导电性的限制[16]。为了解决这一限制，多孔碳材料如COF-C₄N被广泛用作催化剂的导电基底，利用其多孔结构和大的表面积来增强电子传输并防止催化剂聚集[17]。 在本研究中，我们通过水热合成方法制备了一种新型催化剂，首先制备了富含氧缺陷的MoS_2?xO_x，然后将其与COF-C₄N在优化温度下结合形成MoS_2?xO_x/COF-C₄N复合材料。氧缺陷的引入显著提高了OER和HER的性能，分别在10 mA·cm^{?2_2?xO_x/COF-C₄N的优异双功能性能使其能够在广泛的pH范围内高效催化水分解，在酸性电解质中以1.58 V的较低电池电压下实现10 mA·cm?2}

部分内容

MoS_2?xO_x的合成

将302 mg半胱氨酸、102.5 mg钼酸钠和60 ml蒸馏水混合在高压釜中。完全溶解后，将高压釜放入烤箱中。反应完成后，过滤样品并用蒸馏水和乙醇反复洗涤。过滤后的固体在烤箱中干燥6小时，得到黑色的MoS_2?xO_x粉末。

MoS_2?xO_x/COF-C₄N的合成

首先，通过控制变量研究了MoS_2?xO_x/COF-C₄N的制备条件。

表征

使用粉末X射线衍射（PXRD）测量并结合模拟方法对合成的MoS₂、MoS_2?xO_x、COF-C₄N和MoS_2?xO_x/COF-C₄N复合材料的晶体结构进行了表征。如图1a所示，MoS₂的特征衍射峰出现在14.1°、32.7°、57.4°，分别对应于(0002)、(1000)、(1100)晶面（PDF#73-1508）。显然，在XRD图谱中未观察到MoO₂（PDF#97-002-3722）或MoO₃（PDF#97-064-4068）的衍射峰。

结论

总之，通过水热方法在MoS₂中引入氧缺陷制备得到了MoS_2?xO_x。以COF-C₄N为基底，通过研磨、超声处理和搅拌将MoS₂与COF-C₄N以1:2的最佳比例复合成MoS_2?xO_x/COF-C₄N（1:2）。采用多种表征技术分析了样品的结构、微观形态和晶体相，确认MoS_2?xO_x/COF-C₄N含有丰富的氧缺陷。

CRediT作者贡献声明

任国斌：撰写——初稿，实验研究，数据分析。 张楠：指导，实验研究。 杨赵迪：撰写——审稿与编辑，资金申请。 张桂玲：指导，方法学设计。

利益冲突声明

作者声明没有已知的财务利益或个人关系可能影响本文的研究结果。

致谢

本工作得到了国家自然科学基金（项目编号：52273288）和黑龙江省自然科学基金（项目编号：LH2024B016）的财政支持。