【摘 要】
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环境和能源问题的日趋严峻让氢能成为最有希望解决人类生存大计的新型清洁能源代表。目前,电催化分解水是人工产氢的主要方式。然而,在水分解过程中,阴极上的二电子的析氢反应（HER）和阳极上的四电子的析氧反应（OER）缓慢的动力学导致水分解反应效率较低。经济高效的催化剂的使用可以有效克服这个问题。具有特殊三明治结构（S-M-S,M=Co、Mo、W等）的过渡金属二硫化物二维材料,尤其是MoS2,具有优异的电
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环境和能源问题的日趋严峻让氢能成为最有希望解决人类生存大计的新型清洁能源代表。目前,电催化分解水是人工产氢的主要方式。然而,在水分解过程中,阴极上的二电子的析氢反应（HER）和阳极上的四电子的析氧反应（OER）缓慢的动力学导致水分解反应效率较低。经济高效的催化剂的使用可以有效克服这个问题。具有特殊三明治结构（S-M-S,M=Co、Mo、W等）的过渡金属二硫化物二维材料,尤其是MoS2,具有优异的电化学性质,成为极具潜力的HER电催化剂。然而,由于MoS2片层间作用力较强而易发生堆叠,会降低其比表面积、减少活性位点数量。为此,将MoS2和CoS2复合可以通过共享S离子的策略调控其电子结构并形成异质界面,从而有利于H吸附活性位点的暴露以及催化剂和电解质间的传质;N和Se的定向掺杂会改变Mo和Co的局域电子结构,有利于缺陷的产生,为H*提供更多吸附位点;利用石墨烯作为基底来调节MoS2和CoS2复合结构的生长,加强电荷的传输和转移,以提高电催化HER过程的催化性能。主要研究内容包括:（1）首先通过水热法合成了MoS2/CoS2前驱体,然后采用化学气相沉积法制备了N,Se定向掺杂的N-MoS2/Se-CoS2复合材料。探究了水热时间,水热温度,焙烧温度,Se粉的掺入量,氨气的通入量等制备条件对N-MoS2/Se-CoS2电化学性能的影响。采用XRD、Raman、BET、SEM、TEM、XPS、XAFS等表征手段分析了N-MoS2/Se-CoS2的物相组成、形貌结构、化学态及Mo、Co的配位环境,证实了N和Se分别定向掺杂到MoS2和CoS2中,N-MoS2/Se-CoS2存在丰富的异质界面。电化学阻抗（EIS）、电化学活性面积（ECSA）和莫特-肖特基曲线（MS）结果显示,N-MoS2/Se-CoS2相比于N-MoS2、CoS2和CoSe2表现出更高的电子浓度、更多的活性位点及更强的电子传输能力。因此,N-MoS2/Se-CoS2具有优于单一催化剂N-MoS2、CoS2和CoSe2的HER催化活性。将此N-MoS2/Se-CoS2分别作为电解池的阴阳极,其全水分解过电位为1.57 V,展示了优异的全水分解应用潜力。（2）采用水热法分别将氧化石墨烯（GO）或者石墨烯粉（G）与MoS2/CoS2进行复合,然后通过气相沉积制备出氮、硒定向掺杂的N-MoS2/Se-CoS2/GO或者N-MoS2/Se-CoS2/G复合电催化剂。作为对比研究,将N-MoS2/Se-CoS2直接作为基底,利用CH4化学气相沉积方法于该基底表面生长石墨烯,制备得到G/N-MoS2/Se-CoS2复合电催化剂。通过XRD、Raman、SEM等系列表征手段以及HER电化学测试分析,探究了G或者GO含量、CH4流量、石墨烯生长温度等因素对复合材料的结构形貌和HER催化性能的影响。研究结果表明,与N-MoS2/Se-CoS2相比,GO的引入显著改善了N-MoS2/Se-CoS2电催化剂的微观形貌。制备的N-MoS2/Se-CoS2/GO复合材料的电催化HER性能也得到进一步增强。本研究通过定向掺杂、异质界面及导电基底引入等策略的设计,制备具有优异HER催化性能的多孔泡沫结构的N-MoS2/Se-CoS2和超小纳米花结构的N-MoS2/Se-CoS2/GO复合电催化剂,解析了其构性关系,相关成果可为过渡金属二硫化物基异质结的制备及其性能优化提供有益参考。
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