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碱性水电解技术在清洁氢气制备领域扮演着关键角色，然而，其效率却受限于氢析出反应（HER）动力学的迟缓。除了催化剂自身的效能因素外，电解液中所含阳离子的种类也对HER的效率产生了显著影响。本文致力于通过调整钼硫簇合物（MoSx）与钌（Ru）活性中心的电荷分布状态，成功地操控了电催化界面上不同阳离子的作用，进而揭示了不同电荷状态对HER活性的具体影响机制。
成果简介
本研究设计并合成了两种携带不同电荷的MoSx簇合物，具体为带有负电荷的[Mo₃S₁₃]²⁻和带有正电荷的[Mo₃S₇]⁴⁺，随后将它们分别与金属钌结合，构建出新型的电催化剂。实验结果显示，在碱性环境中，[Mo₃S₁₃]²⁻所支持的钌催化剂展现出了远高于[Mo₃S₇]⁴⁺所支持催化剂的HER活性。此外，研究还借助拉曼光谱等多种技术手段，深入探讨了电荷状态对电催化界面水分子结构以及阳离子分布的影响，从而凸显了电荷调控在提升碱性条件下HER活性方面的独特作用。
研究亮点
1.电荷调控下的催化效能差异：
采用负电荷的[Mo₃S₁₃]²⁻作为载体的Ru催化剂，在HER反应中呈现出卓越的活性，具体表现为更低的过电位和更为迅捷的反应动力学。
2.阳离子的催化界面效应：
在催化界面上，不同种类的阳离子对HER活性展现出了各异的影响趋势。值得注意的是，K⁺阳离子在[Mo₃S₁₃]²⁻支持的催化剂上，构建了一个更为高效的水分子活化环境。
3.界面水分子的结构调控：
借助原位拉曼光谱技术，我们观测到了水分子氢键结构的动态变化，这一发现有力地证实了电荷支持材料对水分子排列方式及活化程度的深远影响。
4.催化稳定性评估：
在长时间、高电流密度的运行条件下，负电荷Mo₃S₁₃所支持的催化剂展现出了出色的稳定性，即便在连续工作300小时后，其催化性能依然保持高效稳定。
配图精析
图1：
此图详细描绘了[Mo₃S₁₃]²⁻与[Mo₃S₇]⁴⁺两种簇合物的合成路径。同时，利用透射电子显微镜（TEM）技术，直观展示了这两种簇合物分别与金属钌组装后的微观形态，以及它们电荷状态的对比情况。
图2：
极化曲线图揭示了在不同电解液（LiOH与KOH）中氢析出反应（HER）的活性表现。具体而言，带有负电荷的[Mo₃S₁₃]²⁻催化剂，在KOH电解液中展现出了最高的HER活性。
图3：
通过原位拉曼光谱技术，对不同电位条件下的界面水分子振动模式进行了深入分析。这一分析揭示了电荷状态对界面水分子氢键结构所起到的调控作用。
图4：
电化学阻抗谱（EIS）的测试结果揭示了，在K⁺介质中，由负电荷MoSx支撑的催化剂具有更低的电荷传递阻力。这一发现有力地证明了该催化剂在此条件下展现出了更为高效的催化活性。
本研究采用电荷调控策略，有效增强了钌基催化剂在碱性环境下的氢析出反应活性。研究结果显示，催化剂的电荷状态与阳离子效应之间存在着密切联系。我们将深入探究不同电荷支持材料对其他电催化反应的应用可能性，以期发掘更多潜在的催化性能。
期刊：Advanced Materials
DOI：10.1002/adma.202410422
原文链接：https://doi.org/10.1002/adma.202410422
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