电解水过程中的电催化析氢反应（HER）是未来氢燃料电池应用中获得绿色氢能源的重要途径之一。铂是人们熟知的高活性HER催化剂，但其高成本和低储量是阻碍水电解制氢商业化应用的关键因素，设计和制备具有高HER电催化性能的低铂催化剂是当前的热点问题。在众多材料设计策略中，选择与铂纳米颗粒具有较强的电子耦合的载体材料制备复合结构的纳米催化剂，是一种非常有效地提升电催化性能且大量减少Pt用量的方法。在界面处金属-载体电子强相互作用(EMSI)可以通过大幅度调整Pt的电子结构来增强HER电催化性能。

图1. MoS2二维片和Pt-MoS2异质结构的原子结构表征.

图2. Pt-MoS2异质结构HER催化性能增强的主要原因是由于界面电子调制效应

近期，融合创新研究院先进功能材料制备与表征团队王荣明教授利用湿化学方法在水溶液中成功制备了3% Pt-MoS2纳米异质结构高性能HER催化剂，在10 mA·cm-2时过电位为67.4 mV，Tafel斜率为76.2 mV·dec-1，明显优于纯的MoS2纳米片和Pt纳米颗粒，Pt-MoS2异质结构经24小时的催化稳定性测试后，其高催化活性几乎无衰减。使用球差校正电镜研究其表面原子排列和界面原子构型，由{111}和{200}晶面簇包围的单分散单晶Pt纳米粒子（~ 3 nm）负载在MoS2纳米片表面，Pt纳米颗粒具有半截八面体结构，Pt的（011）晶面与MoS2的（001）晶面平行形成半共格界面，构建并运用QSTEM软件验证了Pt-MoS2异质结构的界面原子结构模型（图1）。使用实验和理论计算相结合的方法，探索Pt与MoS2之间的界面电子强相互作用对材料催化性能影响的物理机制。其优异的结构稳定性源于界面处形成的Pt-S键阻止了Pt纳米颗粒的团聚，负载的Pt显著提高了MoS2的导电性，有利于HER的快速电子转移。通过DFT计算Pt-MoS2异质结构的不同活性位点的H*吸附能，发现Pt表面的HER催化活性展示出Pt {111} < Pt{100}的特点；由于界面电子转移，影响了Pt金属表面的d带中心，降低了界面上Pt原子的氢吸附自由能，提升了其HER活性（图2）。

研究成果以“Interfacial electronic structure modulation of Pt-MoS2 heterostructure for enhancing electrocatalytic hydrogen evolution reaction”为题发表在国际权威学术期刊《Nano Energy》（影响因子17.881）上，并被选为该期的封面论文。论文第一作者是青年教师单艾娴，通讯作者是王荣明教授。该工作为设计和研制具有高催化活性和高稳定性的金属-载体异质结构纳米催化剂提供了有效可行的途径，并有助于理解EMSI与多相催化剂HER催化性能之间的关系，设计具有高HER活性和稳定性的金属载体异质结构。

论文链接：https://www.sciencedirect.com/science/article/abs/pii/S2211285521011629。