清华大学刘碧录Nat Commun.：双界面工程构筑高效Chevrel相电极材料

一、【导读】

工业发展中化石燃料的作用无可替代，但其广泛使用造成了严重的环境污染（碳排放量占全球温室气体排放总量的65%左右）和能源危机。因此，需要发展绿色能源迫在眉睫。氢气具有高能效、高质量能量密度和零碳排放的优势，因此电解水析氢（HER）有望成为未来的清洁能源载体。然而，工业电解水的电催化剂必须承受苛刻的条件，如大电流密度、长工作周期、高压和高温，这给电极的机械稳定性带来了挑战，使得极大阻碍了电解水析氢的发展。电极的机械稳定性主要由两个界面决定，即电催化剂-载体界面和电催化剂-气泡界面。在大电流密度下许多气泡的分离产生强的电催化剂气泡粘附力，当其大于电催化剂和载体之间的结合力时，该粘附力可以剥离电催化剂。因此，通过增强电催化剂-载体和减弱电催化剂-气泡界面力来提高电极的机械稳定性至关重要。

二、【成果掠影】

近日，清华大学清华-伯克利深圳研究院刘碧录副教授团队在知名期刊Nat. Commun.上以题为“Dual interfacial engineering of a Chevrel phase electrode material for stable hydrogen evolution at 2500 mA cm^-2”报告了通过MoS₂和Cu之间的原位反应构建了一个机械稳定、全金属、高活性的CuMo₆S₈/Cu电极。该Chevrel相电极在电催化剂-载体界面具有较强的结合力，而在电催化剂-气泡界面具有较弱的粘附力，从而可以实现快速HER动力学和电荷转移动力学。这些特性有助于在334 mV的过电位下实现2500 mA cm^-2的大电流密度，并稳定工作超过100小时。微米级原位全内反射成像和力学测试揭示了两种界面力与电催化剂性能的关系。这种双界面工程策略可以扩展到为其他涉及气体的反应构建稳定和高性能的电极中。

三、【核心创新点】

1、Chevrel相电极CuMo₆S₈/Cu具有较强的催化剂-载体界面结合力和弱的催化剂-气泡界面粘附力，从而可以实现快速HER动力学和电荷转移动力学。

2、CuMo₆S₈/Cu电极在334 mV的过电位下实现2500 mA cm^-2的大电流密度，并稳定工作超过100小时。

四、【论文掠影】

图1、Chevrel相CuMo₆S₈/Cu电极的制备及表征©2022 Bilu Liu

（a-b）电极的制备过程和宏观性能示意图。

（c-g）电极横截面的SEM、不同元素EDS映射图像和HRTEM图像。

（h）（g）中红色矩形区域的放大视图，显示CuMo₆S₈层与Cu衬底之间的界面。

（i）退火前后样品的X射线衍射图。

（j-k）CuMo₆S₈的Mo 3d和S 2p的XPS图谱。

图二、大电流密度下的HER性能©2022 Bilu Liu

（a）三种电极的极化曲线。

（b）三个电极在不同电流密度范围下的性能对比。

（c）采用时间安培法（i-t）测试了CuMo₆S₈/Cu电极在500、1000、2500 mA cm^-2大电流密度下的稳定性。

（d-e）Cu/ CuMo₆S₈电极与非贵金属电催化剂在电流密度大于2000 mA cm^-2时的HER性能和稳定性比较。

图三、原位全内反射成像法表征电极稳定性©2022 Bilu Liu

（a）红光、棱镜和电极的宏观接触示意图。

（b）在HER过程中，电极、H₂气泡和电解质之间新生的微观界面。

（c）入射角、等效折射率与反射率之间的关系。

（d）电极起始电位与光强的关系。

（e-f）Pt/C和CuMo₆S₈/Cu电极在10,000 CV循环前后的起始电位差值映射。

图四、界面结合力和粘附力表征©2022 Bilu Liu

（a）电极上附着气泡的受力分析模型。

（b）CuMo₆S₈(上)、Pt/C(下)催化剂在铜箔上的微划痕照片。

（c）CuMo₆S₈和Pt/C催化剂临界黏附力对比。

（d-e）CuMo₆S₈电极和Pt/C电极在10 mA cm^-2下产生气泡的照片。

（f）CuMo₆S₈和Pt/C电极的气泡演化速率和直径。

（g）CuMo₆S₈/Cu和Pt/C电极的电催化剂-气泡界面粘附力。

图五、CuMo₆S₈的活性位点和金属特性©2022 Bilu Liu

（a）CuMo₆S₈的原子结构（球棍模型）。

（b-d）暴露的(001)、(101)、(110)面。

（e）CuMo₆S₈的三个面最佳活性位点、MoS₂的硫位点和Pt(111)上HER的吉布斯自由能（ΔG_H*）变化。

（f）CuMo₆S₈的态密度（DOS)和部分态密度（PDOS）。

五、【前景展望】

综上所述，研究人员通过双界面工程构建了具有优异机械稳定性和HER性能的Chevrel相CuMo₆S₈/Cu电极。Chevrel相CuMo₆S₈源自MoS₂，并通过化学键与载体牢固结合。它具有强的电催化剂载体结合力和弱的电催化剂气泡粘附性能，因此可以在334 mV的过电位下实现2500 mA cm^-2的大电流密度，并稳定工作超过100小时。理论计算表明，得益于金属特性和高活性，CuMo₆S₈可有效地促进了界面电子传输和析氢动力学。此双界面工程加深了对界面性质对电极稳定性和电化学性能的影响的理解，预期可用于其他涉及电化学反应的气体中，以构建稳定高效的电极。

文献链接：Dual interfacial engineering of a Chevrel phase electrode material for stable hydrogen evolution at 2500 mA cm⁻²(Nat. Commun.,2022,13, 6382)