近期，固體所環境與能源納米材料中心在雙功能全分解水電催化劑方面取得重要進展，研究人員發明了一種共價摻雜方法，通過在MoS2中共價摻雜Co來誘導它的全解水性能，獲得了性能優異的MoS2基(Co-MoS2/BCCF-21)雙功能電催化劑。相關研究成果發表在國際知名期刊Advanced Materials (Adv. Mater.,2018,https://doi.org/10.1002/adma.201801450)和Chemical Communications (Chem. Commun.,54,3859-3862 (2018))上。　　

　　可再生電能驅動電催化分解水已被認為是從豐富的水資源中生產清潔氫燃料、支撐能源安全和減排最有前途的方式。目前關于電催化劑方面的研究主要集中在開發具有單一析氫反應(HER)或析氧反應(OER)的單功能電催化劑，但在單一催化劑內同時實現雙功能性面臨巨大挑戰，而且雙功能活性位點的協同催化機制尚不完全清楚。例如，在MxNy催化劑中，M(M = Fe、Co、Ni等)是OER的催化活性位點，N(N = S、P等)是HER的催化活性位，從理論和實驗研究中都得到了驗證。然而，所獲得的電催化劑在堿性介質中通常表現出較高的OER活性，但HER活性較低，在酸性介質中HER活性較高，但OER活性較低。因此未來實現高性能電催化分解水產氫的關鍵是獲得具有高活性的雙功能(析氫反應(HER)和析氧反應(OER))電催化劑。

　　眾所周知，層狀MoS2是一種典型的HER活性電催化劑，但具有較差的OER活性。而將3d過渡金屬硫化物、氧化物和氫氧化物與MoS2耦合雜化，利用3d過渡金屬基活性成份來提高MoS2電催化劑的OER活性，有望實現制備HER和OER雙功能MoS2基電催化劑。已有研究表明，將3d過渡金屬元素(例如Fe，Co，Ni)摻雜到MoS2中，可以有效改變MoS2的電子結構并調節Mo的電子密度以降低其氫吸附自由能，進而獲得高HER性能。然而，通過3d過渡金屬元素摻雜方法將活性組份引入到MoS2中來誘導全解水雙功能性研究尚未有報道。 

　　為此，研究人員發明了一種共價摻雜方法，通過Co的摻雜來誘導MoS2的全解水性能，在優化Co的摻雜比例基礎上，獲得了性能優異的MoS2基(Co-MoS2/BCCF-21)雙功能電催化劑。結果表明：這種雙功能電催化劑在1.0 M KOH中分別具有-0.02和1.45 V(vs. RHE)的HER和OER起始電位。值得一提的是，最優Co-MoS2/BCCF-21催化劑能夠分別在48、132、165 mV和260、350、390 mV的低HER和OER超電勢下提供10、100和200 mA cm-2的高電流密度。將這種具有優異的雙功能催化活性的Co-MoS2/BCCF-21電催化劑直接用作全分解水陽極和陰極，產生H2和O2的速率分別為9.1和4.5 μmol min-1，而且法拉第效率接近100%。

　　理論計算及同步輻射實驗結果進一步表明，Co共價摻雜在MoS2中不僅顯著提高了其HER性能，而且還誘導了優異的OER活性，相關結果發表在Advanced Materials (Adv. Mater., 2018, https://doi.org/10.1002/adma.201801450)上。同樣利用共價摻雜方法，制備的Co摻雜MoS2納米片結構催化劑在酸和堿電解質中均表現出優異的HER和OER雙功能催化活性，具有全分解水產氫的巨大潛力，相關結果發表在Chemical Communications (Chem. Commun., 54, 3859-3862 ( 2018))上。研究結果表明，該方法具有普適性，也適用于實現其它過渡金屬二硫族化合物的雙功能化，相關研究為制備具有雙功能的二硫族化合物基電催化劑提供了新的、有效的途徑。 

　　     圖1.(a-f) 材料結構表征；(g) HER和OER性能；(h, i) 活性機理解釋。