我國科學家實現工業級高效電解水制氫

近日，中國科學院大連化學物理研究所能源催化轉化全國重點實驗室能源與環境小分子催化研究中心（509組群）鄧德會研究員、崔曉菊研究員、于良研究員團隊在電解水高效制氫中取得新進展。團隊利用準金屬碲（Te）元素的金屬—非金屬雙重特性，對二硫化鉬（MoS₂）晶格中的Mo位和S位進行雙位點取代重構，構筑了具有豐富邊緣結構的三維多孔Te摻雜MoS₂催化劑（Te-MoS₂）。該非貴金屬催化劑在工業級大電流密度下酸性電解水中展現出良好的電解水析氫性能。

質子交換膜電解水技術是利用可再生能源制取綠氫的重要途徑之一，但其規模化應用依賴貴金屬鉑族催化劑。MoS₂因其幾何與電子結構特點，在電催化析氫反應（HER）中受到關注，被視為貴金屬鉑基催化劑的潛在替代者。然而，其析氫活性位點主要局限于邊緣S位點，而占大部分的基面S位點呈惰性，限制了整體催化效率。研究表明，通過減小MoS₂尺寸可增加邊S位點比例、提升析氫活性，但大量邊結構會導致表面能升高，結構穩定性下降；引入金屬摻雜雖能激活基面S原子，卻不可避免地過度活化邊結構，使邊S位點對氫的吸附過強。因此，如何在提高邊結構的比例與穩定性的同時，協同提升基面與邊位點的析氫活性，是該領域面臨的問題。

鄧德會團隊長期從事能源與環境小分子的催化轉化研究，前期在電解水制氫方面取得系列進展（J. Am. Chem. Soc.，2026；Joule，2025；Angew. Chem. Int. Ed.，2025；Adv. Funct. Mater.，2025；Angew. Chem. Int. Ed.，2024；Nano Energy，2024；Matter，2023；ACS Catal.，2022；Nano Energy，2022；Angew. Chem. Int. Ed.，2020；Nat. Commun.，2020；Nano Energy，2020；Nano Energy，2019；Nat. Commun.，2017；Angew. Chem. Int. Ed.，2015；Energy Environ. Sci.，2015；RSC Adv.，2014；Energy Environ. Sci.，2014）。

在此基礎上，本工作提出了利用Te原子對MoS2晶格中的Mo位和S位進行雙位點取代重構的策略，以二氧化硅納米小球作為硬模板，通過含Mo、S和Te的前驅體為原料，直接化學合成了具有豐富邊結構的三維多孔Te摻雜MoS₂催化劑。該催化劑在1000 mA·cm^-2的電流密度下析氫過電位為364 mV，低于商業20% Pt/C的506 mV，且在1000 mA·cm^-2下穩定運行超200小時，性能無明顯衰減。實驗表征與理論計算研究表明，準金屬Te的金屬—非金屬雙重特性使其能夠同時取代MoS₂內層的Mo原子和表面的S原子。這種雙位點取代不僅優化了相鄰S原子的氫吸附能，還提升了邊結構穩定性，促進了更小尺寸、富邊MoS₂納米片的形成，從而在面內和邊緣構筑了大量具有適中氫吸附能的S活性位點，提升了整體析氫性能。該研究為設計MoS₂基低成本、高活性、高穩定的非貴金屬析氫催化劑提供了新思路。

相關研究成果以“Dual-Site Substitution with Single Te Atoms in MoS2Boosting Hydrogen Evolution”為題，發表在《德國應用化學》（Angewandte Chemie International Edition）上。該工作的共同第一作者為我所與廈門大學聯合培養博士研究生李國敏和我所509組群博士后夏梅涵。上述工作得到了國家自然科學基金、中國科學院B類先導專項“能源電催化的動態解析與智能設計”、遼寧濱海實驗室、我所創新基金等項目的資助。（文/圖 李國敏）

文章鏈接：https://onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1002/anie.4057686