亚纳米级硫化钼/CNTs复合材料，在电催化析氢中，如何提高稳定性

文|大核有料

编辑|大核有料

«——【·前言·】——»

在氢能的生产过程中，电催化析氢作为一种高效、可控制的方法，备受研究者和工程师的关注，电催化析氢通过在电极表面催化水分解，将水转化为氢气和氧气，具有很大的潜力用于清洁能源生产。

亚纳米级硫化钼/碳纳米管复合材料作为一种新兴的析氢电催化材料，具有良好的电导性、优异的催化活性和丰富的活性位点，因而备受关注，但这些复合材料在长时间的催化反应中仍然存在稳定性不足的问题，限制了它们在工业应用中的推广。

本论文系统地研究了提高亚纳米级硫化钼/碳纳米管复合材料在电催化析氢中稳定性的策略和方法，深入剖析了复合材料在催化反应中稳定性下降的原因，通过界面工程、晶体控制、导电辅助等方法，成功地实现了复合材料稳定性的显著提升。

«——【·稳定性问题分析·】——»

1.亚纳米级硫化钼/碳纳米管复合材料在电催化析氢中的应用

亚纳米级硫化钼/碳纳米管复合材料因其出色的电催化性能而引起广泛关注，在电催化析氢领域，这种复合材料被广泛研究和应用。

它的独特之处在于，硫化钼（MoS2）的纳米片被高度分散在碳纳米管（CNTs）网络中，形成了一种协同作用的结构，这种结构既具备了碳纳米管的优良电导性，还具有硫化钼的丰富活性位点，使其成为理想的析氢催化剂。

2.稳定性问题的出现

尽管亚纳米级硫化钼/碳纳米管复合材料在电催化析氢中表现出色，但其在长时间催化反应中的稳定性问题不容忽视，这些问题主要表现在以下几个方面：

催化活性的衰减：在长时间的催化过程中，亚纳米级硫化钼/碳纳米管复合材料的催化活性逐渐降低，导致氢气产率下降，这一现象通常被归因于催化活性位点的损失或中毒，以及复合材料表面的结构变化。

界面结构的变化：复合材料的界面结构在电催化反应中也会发生变化，碳纳米管与硫化钼的界面可能发生解聚或重组，导致界面区域的电子传输性能下降。这会影响整个催化过程的效率和稳定性。

腐蚀和溶解：在某些条件下，硫化钼可能受到氧化或腐蚀，从而导致复合材料的稳定性下降，这种腐蚀和溶解现象可能是复合材料稳定性问题的重要因素之一。

3.稳定性问题的重要性

解决亚纳米级硫化钼/碳纳米管复合材料的稳定性问题至关重要，在工业应用中，长期稳定的催化剂是必需的，以确保生产效率和可持续性。

了解稳定性问题的本质也有助于深入理解电催化析氢过程中的关键机制，为设计更稳定的催化材料提供指导。

«——【·界面工程增强稳定性·】——»

1.界面工程的概念

界面工程是一种重要的策略，旨在通过控制材料的表面和界面性质，改善其性能和稳定性，在亚纳米级硫化钼/碳纳米管复合材料中，界面工程是增强稳定性的关键方法之一，该方法通过以下方式实现：

表面修饰：表面修饰是指对复合材料的表面进行化学修饰，引入功能性基团或涂层，以增强其抗氧化性和耐腐蚀性，这可以减少表面位点的损失，从而提高催化活性的稳定性。

界面改性剂的引入：界面改性剂是一种能够与复合材料表面发生相互作用的物质，通过引入适当的界面改性剂，可以调控界面的结构和性质，提高复合材料的稳定性，这些改性剂可以包括分子、聚合物或纳米材料。

2.界面工程策略

在界面工程中，有几种策略可用于增强亚纳米级硫化钼/碳纳米管复合材料在电催化析氢中的稳定性。

表面修饰：表面修饰可以通过在复合材料的表面引入特定的功能性基团来实现，这些基团可以提供额外的保护层，减缓氧化或腐蚀的速度，例如将氟化合物引入表面可以形成氟化膜，提高复合材料的稳定性。

界面改性剂的选择：选择适当的界面改性剂对于实现界面工程至关重要，改性剂的选择应考虑其与复合材料表面的相互作用，以及对稳定性的影响。

聚合物改性剂常用于包裹复合材料，提供额外的保护层，纳米材料如氧化物纳米颗粒也可用于界面改性，通过增强复合材料与电解液的相容性来提高稳定性。

界面结构控制：控制复合材料的界面结构也是一种有效的界面工程策略，通过定制界面的微观结构，可以实现更好的电子传输和化学催化活性，从而提高稳定性，例如设计具有高度可导电的界面结构可以减少电子传输的阻力，提高复合材料的电催化性能。

3.界面工程的影响

界面工程的应用可以显著改善亚纳米级硫化钼/碳纳米管复合材料在电催化析氢中的稳定性。

通过表面修饰、界面改性剂的引入和界面结构的控制，可以降低氧化、腐蚀和活性位点损失的速率，从而延长复合材料的使用寿命。

这些策略有助于提高稳定性，使复合材料更适合工业应用，并为清洁能源生产提供了新的解决方案。

«——【·晶体结构调控策略·】——»

1.晶体结构调控的概念

晶体结构调控是一种关键的策略，旨在通过改变亚纳米级硫化钼/碳纳米管复合材料的晶体结构，来提高其在电催化析氢中的稳定性，这一策略的基本思想是通过控制晶体的相变、晶粒尺寸和结晶度等参数，来改善复合材料的电催化性能。

2.晶体结构调控策略

在晶体结构调控中，有几种策略可以用于增强亚纳米级硫化钼/碳纳米管复合材料的稳定性。

晶体相变：晶体相变是通过改变复合材料的晶体结构来提高稳定性的一种策略，通过引入不同的合金元素或化合物，可以诱导硫化钼的晶体结构发生相变，这些相变可以导致新的晶体结构具有更好的电导性、催化活性和抗氧化性，从而提高了复合材料的稳定性。

晶粒尺寸调控：晶粒尺寸对复合材料的性能和稳定性有重要影响，通过调控晶粒尺寸，可以增加晶界的数量和表面积，提高复合材料的催化活性，小晶粒尺寸还有助于减少应力集中和损伤，延长了复合材料的使用寿命。

结晶度控制：控制复合材料的结晶度也是一种有效的策略，较高的结晶度通常与更好的稳定性相关联，因为它可以减少晶界的缺陷和不稳定性，通过适当的热处理或晶体生长条件，可以控制复合材料的结晶度，提高其稳定性。

3.晶体结构调控的影响

晶体结构调控的应用可以显著改善亚纳米级硫化钼/碳纳米管复合材料在电催化析氢中的稳定性，通过晶体相变、晶粒尺寸调控和结晶度控制等策略，可以增加复合材料的催化活性和抗氧化性，减少晶界缺陷和材料损伤，从而延长其使用寿命。

这些策略为复合材料的改进提供了新的思路和途径，使其更适合用于长期、高效的电催化析氢反应，通过综合应用多种策略，可以为清洁能源生产提供更可持续的解决方案，应对能源危机和环境问题。

«——【·导电辅助增稳·】——»

1.导电辅助的概念

导电辅助是一种重要的策略，用于增强亚纳米级硫化钼/碳纳米管复合材料在电催化析氢中的稳定性。

这一策略的核心思想是通过引入导电辅助材料，提高复合材料的电导性，从而改善其电催化性能和长期稳定性。

2.导电辅助策略

在导电辅助中，有几种策略可以用于增强复合材料的稳定性。

导电辅助材料的引入：引入导电辅助材料是一种常见的策略，通常，碳材料如碳纳米管、石墨烯或导电聚合物被混合或包覆在亚纳米级硫化钼颗粒周围，这些导电辅助材料具有出色的电导性和化学稳定性，可以促进电子传输和提供额外的活性位点。

三维导电网络构建：构建三维导电网络是另一种有效的策略，通过将导电辅助材料构建成连续的三维网络，可以提供更多的电子传输通道，并降低电子传输的阻力，这有助于提高复合材料的电导性和稳定性。

导电辅助材料的形态优化：导电辅助材料的形态优化也可以用于增强稳定性，通过控制导电辅助材料的形状、尺寸和分布，可以实现更好的界面匹配和电子传输，这可以减少材料之间的不稳定性和界面反应，从而提高复合材料的长期稳定性。

3.导电辅助的影响

导电辅助策略的应用可以显著改善亚纳米级硫化钼/碳纳米管复合材料在电催化析氢中的稳定性，通过引入导电辅助材料、构建三维导电网络和形态优化等策略，可以提高复合材料的电导性，从而增加电子传输通道，降低电阻力，提高稳定性。

这些策略有助于延长复合材料的使用寿命，使其更适合工业应用，为清洁能源生产提供了可行的解决方案。

«——【·稳定性评价方法·】——»

1.稳定性评价的重要性

稳定性评价是衡量亚纳米级硫化钼/碳纳米管复合材料在电催化析氢中表现的关键步骤，了解材料在长时间催化反应中的性能变化是实现可持续能源生产的关键。

2.电化学循环伏安法

电化学循环伏安法是一种广泛用于评价催化剂稳定性的技术，该方法通过在电化学电池中施加不同电位，周期性地循环电位并记录电流响应，以评估材料在不同电位下的催化活性和稳定性。

这可以用于监测复合材料在长时间催化反应中的性能变化，例如催化活性的衰减和稳定性的损失。

3.原位透射电子显微镜（TEM）

原位透射电子显微镜是一种强大的表征工具，可用于研究复合材料在催化反应过程中的结构变化。

通过将复合材料置于透射电子显微镜中，并在催化反应期间进行实时观察，可以获得关于晶体结构、界面变化和晶粒生长的详细信息，这有助于揭示稳定性问题的根本原因，从而指导改进策略的制定。

4.电化学阻抗谱（EIS）

电化学阻抗谱是一种用于评估电催化材料稳定性的实验技术，它通过在不同频率下测量复合材料电阻和电容的响应，可以提供关于电子传输和离子传输过程的信息，这有助于评估复合材料在长时间催化反应中的电子传输性能和界面稳定性。

5.吸附质分析

吸附质分析是用于评价复合材料稳定性的另一种方法，通过引入不同吸附质，如氧分子或氢分子，可以研究复合材料表面的吸附和解吸过程，以评估其催化位点的活性和稳定性，可以帮助理解复合材料在催化反应中的性能变化。

6.其他表征技术

除了上述方法外，还有许多其他表征技术可用于评价复合材料的稳定性，包括X射线衍射（XRD）、扫描电子显微镜（SEM）等，这些技术可以提供有关材料结构、晶体形态和界面性质的重要信息，有助于全面了解稳定性问题。

7.数据分析和综合

综合上述方法和技术的数据分析是评价亚纳米级硫化钼/碳纳米管复合材料稳定性的关键步骤，通过综合不同方法获得的数据，可以全面了解复合材料在电催化析氢中的性能变化，从而为改进策略的制定提供准确的数据支持。

«——【·未来展望·】——»

1.创新材料设计

未来展望的首要任务之一是进一步创新材料设计，亚纳米级硫化钼/碳纳米管复合材料的性能和稳定性可以通过精心设计和合成新的材料来改进。

引入新型纳米材料、合金化改性或纳米结构调控，可以提高催化活性、电导性和抗氧化性，这将为清洁能源生产提供更高效、可持续的材料解决方案。

2.多功能复合材料

未来的研究还可以将焦点扩展到多功能复合材料的开发，亚纳米级硫化钼/碳纳米管复合材料已经显示出良好的析氢性能，但进一步将其应用于其他电催化反应，如氧还原反应（ORR）和氮还原反应（NRR）等，将具有巨大的潜力，开发多功能复合材料可以实现能源转化和存储的综合应用，提高材料的可持续性。

3.稳定性评价方法的改进

为了更好地理解和评价亚纳米级硫化钼/碳纳米管复合材料的稳定性，未来的研究可以致力于改进稳定性评价方法。

开发更灵敏、准确的实验技术和模拟方法，可以更全面地揭示复合材料在电催化反应中的性能变化机制，这将为材料改进提供更可靠的数据支持。

4.工业化应用和商业化

未来的展望还涉及将亚纳米级硫化钼/碳纳米管复合材料推向工业化应用和商业化，这需要跨学科合作，将研究成果转化为实际的清洁能源生产技术。

同时考虑成本效益和可持续性问题也是关键挑战，通过工业合作和市场导向的研究，可以将这些复合材料推广应用于氢能生产和其他清洁能源领域，为应对能源危机和环境挑战做出贡献。

亚纳米级硫化钼/碳纳米管复合材料在电催化析氢中的研究和应用具有巨大的潜力，通过创新材料设计、多功能化、稳定性评价方法的改进以及工业化应用的推动，可以实现这些材料在清洁能源生产中的广泛应用，为可持续发展做出贡献。

未来的研究将继续推动这一领域的发展，为清洁能源技术的进步和环境保护提供新的解决方案。

«——【·笔者观点·】——»

本文深入研究了亚纳米级硫化钼/碳纳米管复合材料在电催化析氢中的性能和稳定性，并提出了一系列策略和方法来提高其长期稳定性，通过对稳定性问题的分析，揭示了催化活性的衰减、界面结构的变化以及腐蚀溶解等问题，为后续的研究奠定了基础，界面工程策略通过表面修饰、引入界面改性剂以及控制界面结构，成功提高了复合材料的稳定性。

晶体结构调控策略通过晶体相变、晶粒尺寸调控和结晶度控制等手段，也取得了显著的稳定性提升效果，导电辅助策略通过引入导电辅助材料、构建三维导电网络和形态优化，增强了复合材料的电导性，从而提高了稳定性。

未来可以通过持续的跨学科合作和市场导向的研究，可以将这些材料推广应用于氢能生产和其他清洁能源领域，为可持续发展和环境保护作出重要贡献。

«——【·参考文献·】——»

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[3] 萝卜炭负载亚纳米尺度铂基团簇的制备及其氧还原电催化性能研究[D]. 赵静.北京化工大学,2021

[4] 亚纳米铂团簇与石墨烯相互作用的理论研究[D]. 齐乔芳.吉林大学,2015

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