电催化裂解水析氢反应（HER）是有效和可持续的制氢方法。然而当前高效的HER催化剂主要是各种贵金属（如Pt、Pd和Rh）材料，稀缺性和昂贵性严重限制了电解水制氢商业发展。而硫化钼（MoS2）作为一种传统贵金属催化剂的替代物，以其低成本、高活性的优势成为了该研究领域的热点。美国西北大学Vinayak P. Dravid教授研究团队利用形貌工程设计制备了金（Au）纳米颗粒修饰的翼状MoS2异质结催化剂w-Au@MoS2，利用Au纳米粒子的晶种效应，实现了对MoS2催化剂薄膜生长方向和形貌的调控，大幅增加了MoS2催化剂边缘活性位点和导电性，从而实现了经济高效地电催化分解水产氢。研究人员首先通过化学气相沉积法（CVD）在负载有Au纳米颗粒的硅（Si）衬底上沉积生长了MoS2，透射电镜和扫描电镜联合测试结果显示，产物为Au核MoS2壳翼状结构的w-Au@MoS2异质结，呈现上述结构主要由于Au核晶种效应所致，即 Au原子和S原子之间具备很强亲和能，使得Au核诱导MoS2生长成翼状。元素分布测试显示，中间的为Au元素，边缘为Mo和S元素，证实了w-Au@MoS2核壳结构。考虑到硅衬底低导电性，研究人员利用同样的工艺在高度有序的热解石墨衬底（HOPG）上生长了w-Au@MoS2异质结催化剂作为对比。随后对Si衬底和HOPG衬底w-Au@MoS2催化剂的电催化析氢性能进行对比测试。结果显示，与Si衬底上单独的Au或者MoS2催化剂相比，在Si衬底上生长的w-Au@MoS2异质结催化剂的电催化活性都要强；然而，由于Si衬底的低导电性，其HER性能提升的幅度不算太高。而以HOPG为衬底的w-Au@MoS2异质结催化剂的HER性能则是大幅提升。以HOPG为衬底的w-Au@MoS2异质结催化剂Tafel斜率较单独的Au（~64 mV dec-1）或者MoS2（~72 mV dec-1）催化剂都要小（~59.6 mV dec-1），其过电压也大幅下降至145.9 mV（Au和MoS2分别为200 mV和210 mV）。当使用恒定阴极电位时，研究人员在10小时反应窗口的析氢过程中观察到稳定的电流，展现出了良好的电化学稳定性。而根据氢气的覆盖范围，MoS2的平坦基面显示出ΔG。H 1.2-2.0 eV，而弯曲的基面（曲率为0.0338 m -1）导致活动增加，因为ΔG°H减小。这是由于MoS2壳结构中存在应变和晶格畸变。当氢气覆盖率增加到50%时，MoS2翼的边缘位置ΔG°H接近零，这与基面相比，HER活性明显增加。之字形边缘部位具有轻微的正ΔG°H，这有利于氢吸附，而边缘部位由于其负ΔG°H而有利于氢析出。说明翼形MoS2为析氢反应提供了大量边缘活性位点，而导电衬底HOPG允许有效的面内电子向边缘的活性位点传输从而进一步改善翼形MoS2的总体催化活性。该项研究利用“种子效应”实现了对MoS2形貌的控制，开发出一种独特的翼形低成本Au@MoS2异质结构复合催化剂，增加了MoS2催化剂边缘的活性位点，从而实现了高效电解水产氢，为开发高效低成本的电催化裂解水产氢催化剂开辟了新路径。相关研究工作发表在《Nano Letters》。
