城大納米材料研究取得重大突破 高效電催化劑推動潔淨能源

香港城市大學（城大）科研人員領導的國際團隊在納米材料研究方面取得重大突破，成功研發出一種高效的電催化劑，可大幅提升電催化水分解產生氫氣的效能，在潔淨能源產業中有巨大應用潛力。

城大胡曉明講座教授（納米材料）張華教授及其團隊，最近利用具有非常規晶相的過渡金屬二硫化物（transition metal dichalcogenide, TMD）納米片作為載體合成了一種催化劑，在酸性介質中表現出卓越的電催化產氫反應活性和穩定性。

他說：「這項成果具有極大意義，因經電催化水分解產生的氫氣是一種極具潛力的清潔能源，或可在不久的將來取代化石能源，減少環境污染和溫室效應。」

這一重要研究成果刊於權威學術期刊《自然》，題為「鉑在二硫化鉬上的晶相依賴生長以實現高效產氫」。

張教授指出，對電催化水分解的研究，關鍵是研發出高效能的催化劑。在製備催化劑的過程中，選取合適的載體對於提高催化劑活性以及穩定性具有重要意義。

作為一種新興的二維材料，TMD納米片由於其獨特的物理及化學性質，一直是近年來科學研究的熱點。晶相是決定TMD納米片性質以及功能的一個極為重要的因素。舉例來說，常規2H相二硫化鉬（MoS₂）具有半導體性質，而非常規1T或1T′相MoS₂卻表現出金屬或半金屬特性，因而具有良好的導電性。然而，製備高純度、高品質的1T或1T′相TMD納米片極具挑戰。因此，科學家對於該納米片載體的晶相如何控制其他材料在其表面上的生長研究，目前尚處於摸索階段。

近年來，張教授研究團隊開發了多種氣-固反應以及鹽輔助合成等新方法，成功製備了多種高純度、高質量的非常規1T′相TMD晶體材料。這些材料具有特異的半金屬特性，在光電子器件、催化、儲能和超導等領域具有廣泛的應用前景。

在本工作中，研究團隊成功地開發了製備非常規相TMD納米片的新方法，並深入研究了貴金屬在非常規1T′-TMD和常規2H-TMD納米片上的晶相依賴生長，發現2H相模板有助於鉑（platinum, Pt）納米顆粒的外延生長，而使用1T′相作為模板則能夠使鉑維持單原子級分散（single-atomically dispersed Pt atoms, s-Pt），由此研發出s-Pt/1T′-MoS₂催化劑（single-atomically dispersed Pt atoms/1T′ phase molybdenum disulfide，單原子級分散的鉑/1T'相二硫化鉬）。

為了克服鉑基催化劑在酸性介質中進行電催化產氫的質量傳輸限制（mass transport limitation），研究團隊使用了先進的懸浮電極（floating electrode）技術進行測試。研究發現，s-Pt/1T′-MoS₂催化劑在-50 mV過電位下能夠表現出超高（85±23 A mg_Pt^-1）的質量活性與交換電流密度（127 A mg_Pt^-1）。同時，該催化劑能夠在質子交換膜水電解槽中穩定工作五百個小時，極具應用前景。

張教授團隊的研究系統地探討了1T′-TMD和2H-TMD納米片上的貴金屬晶相依賴生長，並證明了1T′-TMD納米片是一種理想的催化劑載體。

城大化學系博士後史振宇博士是論文第一作者。他說：「我們合成的新型電催化劑在酸性介質中表現出卓越的電催化產氫活性和穩定性，對未來潔淨能源的發展具有重要意義。」

這項研究成果擴展了納米材料相工程（Phase Engineering of Nanomaterials, PEN）的研究領域，推動了高效催化劑的設計與合成。張教授表示，未來除了繼續研究更多基於1T′-TMD的催化劑外，還會進一步探索該催化劑的工業化應用前景，希望能為潔淨能源和可持續發展做出貢獻。

論文的通訊作者為張華教授、倫敦帝國學院化學系Anthony R. J. Kucernak教授。此次研究匯聚來自香港、內地、新加坡和英國的大學及研究機構的合作者，體現了國際合作在取得科研突破中的重要性。

https://www.cityu.edu.hk/zh-hk/research/stories/2023/09/14/cityu-achieves-major-breakthrough-highly-efficient-electrocatalyst-clean-energy