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双相MoS2的制备及其析氢性能研究

发布时间：2023-02-06T02:17:37.348Z来源：《科技新时代》2022年9月17期作者：孙久强1，李有才2，黄国云1，边守臣1，黄杰1，黄

安1，梁砚琴3

[导读]二硫化钼（MoS2）因具有独特的层状结构以及较高的本征催化活性，

孙久强1，李有才2，黄国云1，边守臣1，黄杰1，黄安1，梁砚琴3

中海油田服务股份有限公司一体化和新能源事业部1

中交疏浚技术装备国家工程研究中心有限公司2

天津大学材料学院3

摘要：二硫化钼（MoS2）因具有独特的层状结构以及较高的本征催化活性，被认为是可替代贵金属催化剂的材料之一。但是，2H-

MoS2表现为半导体特性，其催化性能受到其导电能力及活性位点数目的制约。因此，本文通过Li离子插层化学剥离法对块状2H相MoS2进

行改性，制备出了尺寸为几到几十纳米的双相（1T相与2H相）MoS2纳米片，并系统评价了改性后催化剂的析氢活性与稳定性。相比于块

体MoS2，MoS2纳米片表现出更佳的析氢（HER）催化性能，在电流密度为10mAcm2下的过电位较前者降低了170mV，这主要归因于1T-

MoS2能够暴露更多的活性位点，且1T-MoS2的存在促使催化剂的导电性增加。

前言1.

化石燃料过度使用所带来的能源与环境危机日益严峻，寻找新型清洁能源刻不容缓。氢能作为一种绿色、清洁、可再生的能源，其能

量密度高，是一种代替传统化石燃料的理想能量载体[1-5]。电解水制氢是制备氢气的重要方法。目前催化性能最好的是商业Pt基催化剂，

起始电位接近于零，但Pt基催化剂价格高昂、储量稀少，这限制了其大规模使用。目前电解水制氢研究的关键在于电极催化剂的设计，既

要保证催化剂具有高催化活性，又要价格低廉、易于制备[6-8]。

MoS2作为理论上最有可能替代贵金属HER催化剂的材料之一[9,10]。MoS2中析氢催化反应的活性位主要来自于片层结构的边缘，而基

面没有催化活性。此外，MoS2特殊的二维层状结构为电子传输提供了一个二维通道，在垂直于层方向上，存在着会阻碍电子的传输的层间

势垒，导致电子平行于基面的传导率数百倍于层间的传导率[11]。为进一步提高MoS2催化剂的析氢性能，研究人员对其进行了大量的改性

研究。通过减少MoS2催化剂的层数至少层，可以有效地提高材料的比表面积与电荷传输能力，进而因析氢过程中的电荷转移能力而提高析

氢性能。与其他纳米结构的MoS2材料相比，少层的MoS2纳米片既可以暴露出更丰富的的边缘活性位点，又能降低电子在面内输运的阻

力，因此减少MoS2层数与尺寸是有效提高MoS2材料的析氢催化性能的有效手段。

目前为止，Li离子插层的化学剥离法是制备单层MoS2纳米片的最有效的制备方法[12-14]。此方法将将含有锂离子的溶剂与MoS2粉末

充分反应，形成LixMoS2。LixMoS2与水反应产生大量氢气，扩大了MoS2层间间距，从而获得单层MoS2悬浮液。锂离子插层法是目前最高

效的制备方法，缺点则是周期较长、反应条件较为苛刻且在除杂过程中容易导致MoS2聚集。本文通过多次Li离子插层法成功制备了不同尺

寸的单层或多层MoS2纳米片，研究了不同尺寸的双相MoS2纳米片的物理性能，并对其析氢催化性能进行评价。与块体MoS2相比，通过Li

离子插层法获得的少层MoS2纳米片具有较低的析氢过电位和较小的Tafel斜率，表现出良好的析氢催化性能。

2实验过程

（1）取1g商业MoS2粉末（记为MoS2Bulk）放入烘干的锥形瓶中，瓶内持续通氩气保护，滴入12mL正己烷，并放入一个磁子。取一

只用于平衡气压的氩气球，将出口固定一个针头。将针头插到正丁基锂溶液瓶内，且针头下端位于液面上方。排除一次性针管内的残余空

气后，快速取10mL正丁基锂的正己烷溶液放入锥形瓶内。在氩气保护的条件下，以橡胶塞密封充满氩气的锥形瓶。

（2）将商业MoS2粉末和丁基锂溶液的混合物在磁力搅拌器上搅拌3天。锂离子充分插入MoS2层间后生成插层化合物LixMoS2。真空抽

滤得LixMoS2粉末，并用正己烷多次洗涤以清除多余的丁基锂及有其他机残余物。

（3）快速取下有机滤膜上LixMoS2，加到除氧的去离子水中快速反应并伴随大量氢气气泡逸出，同时超声并辅以搅拌混合液。与水充

分反应后，可获得MoS2纳米片悬浮液，此时液体呈黑色。

（4）将超声后