2017年6月1日
分子模型代表了由石墨烯(灰色背景六边形晶格)、六边形WS2和MoS上的岛以及两者的合金组成的二维异质结构。红色(氧)和灰色(氢)的水(H2O)分子来自左下角，在与异质结构相互作用后催化转化为H2气泡(右上)
“清洁能源经济”还没有经历稳定的增长，因为它似乎总是离我们只有几步之遥，但却从未真正实现。化石燃料仍被用于提供供暖和制冷、运输和制造业的大部分能源。
然而，随着一些科学进步，被认为是整个宇宙中最丰富的元素氢，可能成为未来清洁能源社会的能源载体。科学家们离这个难以捉摸的目标又近了一步宾夕法尼亚州立大学和佛罗里达州立大学开发了一种具有成本效益和工业规模的催化剂，通过低能量水分解过程生产纯氢。
能源是我们这个时代最重要的问题，而对于能源来说，燃料电池至关重要。对于燃料电池来说，氢是最重要的。人们一直在寻找一种能有效地将水分解成氢和氧的催化剂。在这个过程中，不会有不环保的副产品。
于磊，宾夕法尼亚州立大学博士研究生
目前用于制氢的工业方法——甲烷的蒸汽重整——会导致CO的排放2进入大气层。其他方法利用废热，例如来自改进的核电站，或集中太阳能，这两种方法在努力实现商业可行性的同时都面临着技术挑战。在另一种工业过程中，铂被用作催化剂来驱动水分解过程。铂金虽然是一种近乎完美的催化剂，但价格昂贵。因此，氢可能是一种更便宜的催化剂，因为它是运输中化石燃料的合理替代品，并为各种能源存储应用提供动力燃料电池。
二硫化钼(MoS2)被预测为铂的可能替代品，因为氢吸收的吉布斯自由能接近于零。当吉布斯自由能更低时，为了产生化学反应，需要更少的外部能量。
毛里西奥·特龙斯，宾夕法尼亚州立大学物理、材料科学、工程和化学教授
然而，使用MoS2作为催化剂在实验上有其自身的缺点。金属氧化物半导体2是一种处于稳定相的半导体，限制了它传导电子的潜力。为了克服这个问题，研究人员添加了还原氧化石墨烯，这被认为是一种高导电形式的碳。为了进一步降低自由能，研究小组随后将MoS合金化2用钨制得石墨烯和钨钼二硫化层交替薄膜。钨的加入使水分解所需的电压从纯MoS的200毫伏降低了一半2，到96毫伏钨钼合金。
水分解过程只需要将极少量的电能应用到浸入水中的电极上。有了这个小的电势，溶液中的质子就有可能被吸收到催化剂表面。接下来是两个质子的迁移，以形成一个能够上升到表面并释放氢气的氢泡。
从理论的角度来看，电子轨道起着至关重要的作用。在纯MoS的情况下2，在关键反应步骤中，金属轨道与氢轨道没有很好地重叠;然而，当合金存在时，这些轨道相互作用良好，提高了反应的效率。这确实与铂的作用相似，这也是铂在这种化学反应中如此节能的原因。然而，在这项研究中，该团队证明了可以使用更丰富和更便宜的元素来获得比所有被认为是最好的催化剂更好的效率。
在这些合金中发生的是一种精致的轨道重叠，这使得反应更有效。这在纯组分中没有观察到。这是一个混合动力比纯动力更好的例子。
Jose L. Mendoza-Cortes，佛罗里达州立大学化学工程、材料科学、工程和科学计算教授。
氢燃料电池能够促进运输领域的清洁能源经济，在运输领域，快速加油和车辆续航里程超过了电池驱动的车辆。这些燃料电池还可以储存风能和太阳能产生的电能。这项研究是实现这一目标的又一步。
除了Lei, Terrones和Mendoza-Cortes，其他对ACS纳米论文做出贡献的人，题为“低温合成过渡金属二硫化物合金异质结构(Wx Mo1-xS2)和具有优越析氢催化性能的石墨烯”，有Kazunori Fujisawa, Chanjing Zhou, Nestor Perea Lopez, Ana Laura Elias, Lakshmy Pulickal Rajukumar, Bernd Kabius和Nasim Alem，宾夕法尼亚州立大学;佛罗里达州的Srimanta Pakhira和Oluwagbenga Oare Iyiola;王旭阳吕瑞涛，清华大学，中国;Morinobu Endo，日本信州大学。
美国陆军研究办公室、国家科学基金会和中国的国家资助机构支持这项工作。