袁彩雷教授Advanced Functional Materials：利用三維螺旋結構實現渦電流磁熱高效增強析氫反應

在全球綠色能源轉型中，氫能源扮演著非常重要的角色。電解水是制氫的主要方式之一，這一過程需要高效且具有成本效益的電催化劑。以二硫化鉬（MoS₂）為代表的過渡金屬二硫屬化物（TMDCs）因其優異的催化活性、結構穩定性和豐富的地球儲量，被認為是可替代鉑族貴金屬的理想析氫反應電催化劑。二硫化鉬的催化活性主要來源于晶體的活性邊緣，而大面積的基面是惰性的。為提高二硫化鉬析氫反應性能，一個很好的途徑是增加其邊緣活性位點數。其中，將二維MoS₂轉化為三維結構，可極大限度地提高活性邊緣的暴露，是增加邊緣活性位點數的最有效的方法之一。然而，三維層狀結構MoS₂由于層間勢壘的存在，大大降低了電子的傳輸效率，導致催化性能遠沒有想象的那么好。近年來，利用渦電流磁熱技術（在交變磁場中產生的一種電磁感應現象）增強材料催化性能是電催化領域中的研究熱點之一。磁熱技術可在不影響催化劑材料結構和使用壽命的前提下，通過實現持續的局域加熱，可大幅度提高材料電催化性能。在這一方面，三維層狀結構MoS₂也不利于渦電流的產生，極大的限制了磁熱技術的應用。

近期，江西師范大學袁彩雷教授團隊采用改進了的化學氣相沉積法制備獲得三維螺旋金字塔結構的二硫化鉬，這種新穎的螺旋金字塔結構二硫化鉬在充分暴露邊緣催化活性位點的同時消除了層間勢壘，使得電子可沿螺旋軌道傳輸而具有高效的傳輸效率，且在交變電磁場下容易形成渦電流從而利于磁熱進一步增強其催化性能。實驗結果表明，螺旋金字塔結構的二硫化鉬在電解水析氫反應中表現出優異的催化活性、良好的穩定性以及高效的磁熱促進析氫反應性能。這一研究為設計合成新型TMDCs電催化劑，探索渦電流磁熱技術在催化領域的高效應用提供了新的發展思路。

【圖文導讀】

圖1. 層狀金字塔型和螺旋金字塔型MoS₂生長機理示意圖及其結構表征。

圖2. 層狀金字塔型和螺旋金字塔型MoS₂電化學微析氫裝置示意圖和電化學性能測試，以及不同區域的伏安特性曲線和在析氫過程中的電子轉移示意圖。

圖3. 層狀金字塔型和螺旋金字塔型MoS₂在有無交變磁場作用下的析氫性能，以及渦流密度和溫度場的仿真模擬。

圖4. 螺旋金字塔型MoS₂的析氫性能及結構穩定性測試。

研究成果于2022年2月24日以“Micro eddy current facilitated by screwed MoS₂ structure for enhanced hydrogen evolution reaction”為題在線發表在Adv. Funct. Mater.上。通訊作者為袁彩雷教授，江西師范大學為論文的第一單位。該項工作得到了國家自然科學基金委、江西省主要學科學術和技術帶頭人領軍人才計劃以及江西省自然科學基金委等的支持。

文章鏈接如下：https://doi.org/10.1002/adfm.202111067