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全球能源危机与环境污染加剧，促使开发高效能源转换与存储技术变得紧迫。电解水制氢和染料敏化太阳能电池（DSSCs）因利用可再生能源而备受瞩目。但两者中的关键反应需高效催化剂加速，贵金属催化剂虽优却因资源有限难大规模应用。因此，非贵金属基催化剂的研发至关重要。二硫化钼（MoS2）作为潜力替代品，其活性位点少且位于边缘，活性不足。研究者通过掺杂异质原子如镍（Ni）增加活性位点并调节电子结构，同时引入碳基材料如金属有机框架衍生的氮掺杂碳（NC），防止MoS2聚集并提升电导率，NC的大比表面积和多样结构还提供了额外锚定位和丰富活性位点。
研究亮点
图2
(a) ZIF-8，
(b) 经超声处理的ZIF-8（标记为ZIF-8(UH)），
(c) 氮掺杂碳（NC），
(d) Ni-MoS2@NC复合材料。
(e, f) 高分辨透射电子显微镜（HRTEM）图像，用于更细致地观察材料结构，
(g) 通过电感耦合等离子体质谱（ICP-MS）测定的Ni-MoS2@NC中元素的原子百分比含量
(h-m) Ni-MoS2@NC的元素分布图，直观展示了各元素在复合材料中的分布情况。
图3
(a) Ni-MoS2@NC、MoS2@NC、Ni-MoS2及MoS2的X射线衍射（XRD）图谱，用于分析材料的晶体结构；
(b) 上述材料的拉曼光谱，进一步揭示其分子振动特性；以及Ni-MoS2@NC与MoS2@NC的高分辨率X射线光电子能谱（XPS）图谱
(c) Mo 3d轨道的XPS图谱，(d) S 2p轨道的XPS图谱，(e) Ni 2p轨道（仅Ni-MoS2@NC）的XPS图谱，(f) C 1s轨道的XPS图谱，(g) N 1s轨道（仅含氮材料）的XPS图谱
(h) 通过计算得出的Ni-MoS2@NC与MoS2@NC的工作函数，用以评估材料的电子逸出能力。
图4展示了在1.0 M KOH溶液中，不同催化剂针对氢进化反应（HER）的性能评估结果
(a) 线性扫描伏安（LSV）曲线，用于描绘催化剂的极化行为；
(b) Tafel斜率图，反映催化剂的HER动力学特征；
(c) 各类催化剂在不同电流密度下的过电位对比，直观展示催化活性差异；
(d) 尼奎斯特图（Nyquist plot），用于分析电化学阻抗；
(e) 双层电容（Cdl）值，评估催化剂的电化学活性表面积；
(f) 周转频率（TOF），量化催化剂的催化效率；
(g) Ni-MoS2@NC催化剂在36小时内的电流-时间（I-t）稳定性曲线，内插图展示了该催化剂在1000次循环前后的LSV曲线变化，验证其长期稳定性；
(h) Ni-MoS2@NC与已报道的MoS2基催化剂在达到10 mA/cm²电流密度时的过电位（η10）比较，突显其优越性能。
图5展示了通过密度泛函理论（DFT）计算揭示的碱性条件下氢进化反应（HER）机制
(a) 呈现了不同催化剂对水分子的吸附能，用以评估其对水分子的亲和力；
(b) 展示了H中间体在Ni-MoS2@NC复合材料不同位点上的最优吸附结构，揭示了H原子与催化剂表面的相互作用模式；
(c) 比较了在Ni-MoS2@NC不同位点上H吸附的吉布斯自由能，提供了关于各位点催化活性的重要信息；
(d) 描绘了Ni-MoS2@NC中不同位点沿HER反应路径的吉布斯自由能变化，并指出了反应决速步（RDS）对应的能量值；(e) 为RDS步骤的详细能量标注，强调了该步骤在整体反应过程中的重要性；
(f) 展示了Ni-MoS2@NC在RDS步骤前后的电荷密度差（CDD），揭示了反应过程中电荷的重排与转移；
(g) 提供了C 2p、S 3p、Mo 4d及Ni 3d轨道的态密度（PDOS），深入分析了这些元素在催化过程中的电子结构变化。
图6展示了Ni-MoS2@NC、MoS2@NC及Pt在光伏和染料敏化太阳能电池（DSSCs）中的三碘化物还原反应（IRR）性能
(a) J-V曲线，反映光伏性能；(b) 光伏参数汇总；(c) Ni-MoS2@NC与已报道MoS2基对电极（CE）催化剂的光电转换效率（PCE）对比；
(d) 循环伏安（CV）曲线，评估IRR活性；(e) Tafel极化曲线，揭示反应动力学；(f) 尼奎斯特图，分析电化学阻抗。(g, j) Pt CE的100次连续CV曲线及峰电流密度变化；
(h, k) Ni-MoS2@NC CE的相应数据；
(i, l) MoS2@NC CE的相应数据，包括阳极和阴极峰电流密度随周期数的变化，以评估催化剂的稳定性。
图7通过密度泛函理论（DFT）计算揭示了染料敏化太阳能电池中三碘化物还原反应（IRR）的机制
(a, d) 展示了I3-在Ni-MoS2@NC顶部S位点的吸附构型及电子密度差（EDD）；
(b, e) 显示了I3-在Ni-MoS2@NC界面S位点的相应数据；(c) 比较了I3-在顶部与界面S位点的吸附能（Ea）；(f) 呈现了Ni-MoS2@NC界面S位点在吸附I3-前后的Bader电荷分布变化；(g, h) 分别给出了顶部与界面S位点的态密度（DOS），深入分析了电子结构的变化。
原文链接：https://doi.org/10.1016/j.carbon.2024.119724
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