中广测开发电催化活性位点原位屏蔽测试法揭示双核协同催化制氢机理

测试所（中广测）新技术室光电功能材料与器件研究团队（以下简称“光电团队”）设计合成了一种价格低廉的催化材料CoMo₂S₄，测试结果表明，该催化剂有望实现低成本高效制氢。 

工业的迅速发展伴随着化石能源的加速枯竭和二氧化碳的加速排放，人类社会正面临着能源危机和全球气候变化，加速发展清洁能源迫在眉睫。氢（H₂）是一种质量能量密度高、无污染的清洁能源，利用氢作为燃料进行反应，其产物是水，不会对环境造成污染。利用可再生能源实现水分解制氢已经成为全球研究的热点。将现有的可再生能源（如风能，太阳能等）转化为电能，并和传统的电解水工艺直接连用，是实现这一目标的最有效途径之一。我国的十四五规划将电解水技术纳入为重点研发计划，设立了电解水技术研发重点专项。然而，传统的电解水制氢一般需要使用如铂（Pt）、钯（Pd）作为催化剂，这些催化剂价格昂贵且稀缺，导致电解水成本较高。 

针对这一问题，测试所（中广测）光电团队设计合成了CoMo₂S₄二维纳米片催化材料，并结合电化学测试、原位屏蔽测试、四探针电阻测试、X射线光谱测试等手段对其进行性能表征以及机理分析。性能测试结果显示，所合成的CoMo₂S₄在10 mA cm^-2和100 mA cm^-2电流密度下的过电位分别为55 mV和150 mV，其性能可媲美金属Pt/C（20%）催化材料。深入的机理研究表明，CoMo₂S₄的主要析氢活性位点是Mo而不是Co，而Co在提高催化剂的导电性从而提高其析氢性能方面起着关键作用。X射线光电子能谱测试和状态密度计算表明，Co的引入使催化剂中的电子离域化，使电子更容易传递，最终使催化剂具有更好的导电性能。该工作首次揭示了Co对提高Co-Mo-S催化剂体电导率的影响，凸显了Co在提高Mo-S基材料电催化HER活性方面的潜力，同时为HER催化剂的设计提供了理论指导和数据支撑。

图 CoMo₂S₄与金属Pt/C电化学产氢性能对比（左）与CoMo₂S₄催化材料吸附H₂O的晶体结构（右） 

相关成果发表在自然指数期刊Advanced Functional Materials（IF=18.808，中科院一区Top），同时被Chemistry Europe遴选为Hot Topic（Water Splitting）专题论文。测试分析所（中广测）为第一和通讯作者单位，上述工作得到了国家自然科学基金，博士后创新人才支持计划项目和广东省科学院建设国内一流研究机构行动专项资金项目的支持。 

论文信息： 

Cheng, H., Liu, Q., Diao, Y., Wei, L., Chen, J., Wang, F., CoMo₂S₄ with Superior Conductivity for Electrocatalytic Hydrogen Evolution: Elucidating the Key Role of Co. Adv. Funct. Mater. 2021, 2103732. 

论文链接： 

https://onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1002/adfm.202103732 

Hop Topic专题链接： 

https://chemistry-europe.onlinelibrary.wiley.com/doi/toc/10.1002/（ISSN）2196-0216.hottopic-watersplitting