氢气（H2）是一种理想的能源载体。电解水制氢作为一种理想的绿色制氢技术越来越备受关注。然而电解水制氢受限于缓慢的电极动力学,导致电解水制氢的过电位过大。因此,需要将催化剂涂覆在电极表面加快电极反应动力学,从而降低电解水制氢所需的过电位。Mo S2因具有与Pt类似的氢吉布斯吸附自由能而被认为是Pt基催化剂的理想代替品。本论文主要通过活化Mo S2的（002）晶面（惰性基面）,即在Mo S2惰性基面构建孔、S空位和将Mo S2与其他材料构建异质结等方法活化Mo S2的惰性基面,有效提高Mo S2的电催化析氢性能,并结合多种表征方法和理论计算对Mo S2电催化析氢性能增强的机制进行分析。主要研究内容如下:通过掺杂刻蚀Al的方法制备多孔Mo S2纳米片电催化剂。在Mo S2基面构建孔结构增加了Mo S2的活性位点数量和加快了电催化析氢过程中反应物与产物的传输速率,实现Mo S2电催化析氢性能的提高。电催化析氢性能测试表明,刻蚀3%的Al掺杂Mo S2得到的多孔Mo S2具有良好的电催化析氢性能,仅需201 m V的过电位即可达到10 m A cm-2的电流密度,具有最低的塔菲尔斜率62 m V dec-1,同时在酸性电解质中表现出优异的稳定性。发展了一种简单的化学还原法用于在Mo S2基面构建S空位。研究了还原时间、还原剂用量和还原剂种类对化学还原法构建S空位的影响。构建S空位可以增加Mo S2析氢活性位点的数量、加快Mo S2在电催化析氢过程中的电子传输速率和提高Mo S2单个活性位点的电催化析氢性能,最终增强Mo S2的电催化析氢性能:在最优条件下制备的含S空位Mo S2仅需190 m V的过电位即可达到10 m A cm-2的电流密度,塔菲尔斜率为54 m V dec-1;同时利用循环伏安法循环3000圈后其极化曲线几乎没有发生变化。此外,利用化学还原法对商用Mo S2和块体Mo S2的基面进行S空位的构建,增强了商用Mo S2和块体Mo S2的电催化析氢性能,表明利用化学还原法构建S空位具有普适性。利用水热法将Mo S2与S掺杂的氮化碳（S-C3N4）进行有效的界面结合,制备了Mo S2/S-C3N4异质结电催化剂。研究发现S-C3N4的电子注入到Mo S2基面,增加了Mo S2基面的电子密度进而提高Mo S2的导电性,加快Mo S2电催化析氢过程中的电子传输速率;同时异质结的构建限制了Mo S2的重新堆叠,更易暴露Mo S2的电催化析氢活性位点,最终增强Mo S2的电催化析氢性能:在最优条件下制备的Mo S2/S-C3N4异质结电催化剂仅需173 m V的过电位即可达到10 m A cm-2的电流密度,塔菲尔斜率为53 m V dec-1。利用溶剂热法将Ru纳米颗粒生长在Mo S2基面形成Ru-Mo S2异质结电催化剂,发现Ru纳米颗粒的电子转移到Mo S2基面,强化Mo S2的电子离域,进而提高Mo S2的导电性,加快Mo S2在电催化析氢过程中的电子传输速率;将Ru纳米颗粒生长在Mo S2基面,界面处的S原子被活化,原位转化为电催化析氢的活性位点,增加了Mo S2电催化析氢活性位点的数量,最终增强Mo S2的电催化析氢性能。进一步利用密度泛函理论（DFT）对Ru-Mo S2异质结电催化剂的吉布斯吸附自由能和电子结构进行分析:首先,界面处S原子的ΔGH-OH*和ΔGH*更接近零,表明界面处的S原子有利于H的吸脱附和水分子裂解;其次,电荷密度差分显示Ru纳米颗粒的电子确实向Mo S2基面上的S原子迁移,增加了S原子在费米能级附近的电子密度,提高Mo S2的导电性,有利于电催化析氢过程中的电子传输。以上结果表明将Ru纳米颗粒生长在Mo S2基面,可以有效增强Mo S2的电催化析氢性能:Ru-Mo S2仅需110 m V和98m V的过电位即可在酸性和碱性电解质中达到10 m A cm-2的电流密度,同时塔菲尔斜率分别为78 m V dec-1和65 m V dec-1,此外表现出良好的稳定性。
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