电解水制氢的阴极反应是析氢反应（HER），但催化剂常常面临一个棘手矛盾：在酸性电解液中表现良好的材料，进入碱性环境后往往因水解离需要额外跨越动力学势垒而明显失速，连铂基催化剂也难以完全避免这一差异。寻找低成本、在酸性和碱性中都能稳定工作的非贵金属催化剂，因而成为HER研究的重要方向。Chevrel相MxMo6T8由相互连接的Mo6T8团簇构成，具有坚固的三维骨架和可调的金属插层空间，被认为适合研究金属插层与析氢性能之间的关系；但其高纯制备通常依赖数十小时乃至数天的高温固相反应，既拖慢组成筛选，也让酸碱条件下的结构演变难以系统比较。如何在极短时间内获得高纯Cu插层Mo6S8，并厘清其跨pH电催化行为，正是本文要解决的核心问题。
01 三十秒高温脉冲破解Chevrel相长时合成瓶颈
针对上述问题，西北有色金属研究院陈震宇、张胜楠及西安建筑科技大学杨帆、胡平团队提出了一种焦耳热合成策略。研究者将Cu、Mo和MoS2分别按2∶2∶4、4∶2∶4和6∶2∶4的摩尔比混合，压制成颗粒后夹在两条导电碳带之间，在氩气气氛下用30秒升至1500℃，再于1500℃恒温30秒并快速冷却。最终分别得到Cu2Mo6S8、Cu2.76Mo6S8和Cu3.66Mo6S8。
这里的“30秒”指高温恒温阶段，而非从室温开始的全部处理时间，这一区别对于评价工艺窗口十分重要。与论文所述传统工艺需要数十小时甚至数天相比，这种电驱动热冲击把物相形成压缩到秒级，为快速改变Cu含量、逐点筛选物相与电化学性能提供了现实可能。作者还观察到，合成后碳带表面出现铜色沉积，说明部分Cu可能发生挥发和转移，因此前驱体配比并不等于最终插层化学计量。
图1 Mo6S8团簇、Cu插层结构及焦耳热制备流程。
02 组成筛选锁定高纯Cu2.76Mo6S8物相
快速合成能否替代长时间烧结，首先取决于产物是否真正形成目标物相。Rietveld精修结果显示，三种产物的目标相纯度分别为95.4%、99.6%和92.1%，其中Cu2.76Mo6S8最高。Cu2Mo6S8的主要残留物相为MoS2，而Cu2.76Mo6S8和Cu3.66Mo6S8中可检测到残余Mo，说明Cu含量会影响高温瞬态过程中的反应路径和杂质残留。中间组成获得最高纯度，表明铜并非越多越有利，适当的前驱体化学计量更有利于在有限时间内完成物相转化。
形貌方面，三种样品均由立方状颗粒组成。Cu2.76Mo6S8的高分辨TEM显示出间距为0.66 nm的晶格条纹，可归属于其（−1 0 −1）晶面，FFT结果也支持其结晶性。HAADF-STEM及元素分布图显示，在所考察颗粒内Cu分布较为均匀；不过论文也明确指出，Mo与S的谱峰重叠限制了二者空间分布的独立判定，因此相关结论应理解为当前表征精度下的证据。
图2 三种CuxMo6S8的物相纯度、形貌、晶格结构和元素分布。
03 铜插层调控本征动力学与pH对称HER
在1.0 M KOH中，Cu2Mo6S8、Cu2.76Mo6S8和Cu3.66Mo6S8达到10 mA cm−2所需过电位分别为540、400和452 mV；块体MoS2与Mo分别需要569和601 mV。Cu2.76Mo6S8的Tafel斜率为122.8 mV dec−1，也是三种Chevrel相中最低的；其电荷转移电阻为213.0 Ω，低于另外两种样品。三者的双电层电容处于0.28—0.33 mF cm−2的相近范围，接触角为45.8°—51.2°，因此性能差异更可能来自Cu插层调节的本征电荷转移，而非单纯的可接触面积或润湿性。
在0.5 M H2SO4中，三种样品的过电位依次为348、403和490 mV。Cu2Mo6S8虽然过电位最低，但Tafel斜率高达272.6 mV dec−1；Cu2.76Mo6S8则具有111.6 mV dec−1的最小Tafel斜率和29.1 Ω的最低电荷转移电阻，说明其综合反应动力学更有利。综合酸碱数据，Cu2.76Mo6S8在10 mA cm−2下的过电位分别为403和400 mV，酸碱差值仅3 mV；Tafel斜率也只相差11.2 mV dec−1，明显小于另外两种组成。
这就是论文所称的近乎“pH对称”HER行为。其意义不在于400 mV已达到顶尖催化剂水平，论文也明确承认该绝对值并不优于现有先进材料；真正的亮点在于，同一Cu插层组成在两种极端pH下表现出高度接近的过电位和动力学斜率。它提供了一个可比较的模型：Cu含量既影响反应速率，也影响材料对酸碱环境的敏感性，而中间Cu含量在相纯度、酸中动力学和碱中过电位之间取得了较好的平衡。
图3 不同Cu含量样品的LSV、Tafel、EIS、双电层电容与润湿性比较。
04 电解液诱导重构揭示活性与稳定性的两面性
性能只是故事的一半，催化剂在反应过程中是否保持原有结构同样关键。1000次CV循环后，Cu2.76Mo6S8在酸性电解液中的HER曲线进一步改善，100小时恒电位测试中的阴极电流幅值也随时间增加；XRD仍保留CuMo6S8类物相，Mo 3d谱峰向低结合能移动，说明骨架尚存但Mo周围电子环境已经改变。更直接的成分证据是，100小时酸性测试后Cu含量从23.07 wt%降至16.96 wt%，Cu/Mo原子比由0.689降至0.454，而S/Mo仅由1.260轻微降至1.223。这一“优先脱铜”趋势与部分Cu脱嵌相符，但论文并未把性能提升单独归因于某一新物相。
碱性环境中的演化更为复杂且不利。1000次CV后HER发生中等程度衰减，100小时测试的电流约在48小时后降至接近零。XRD除Chevrel类物相外还出现铜硫化物相关衍射，XPS提示Cu物种发生更复杂的转化；长时间测试后Cu/Mo原子比变化不大，却由0.689变为0.725，而S/Mo由1.260显著降至0.893，显示出明显的硫流失。换言之，酸性条件更像“带走部分Cu、激活Mo–S骨架”，碱性条件则伴随硫损耗和含铜副相形成，稳定性风险更高。
论文对机制保持了必要的克制：由于没有在可比条件下测试直接合成的高纯CuMo6S8参比样，也没有区分表面积增加、Cu脱出和局部结构变化各自贡献，因此不能把酸性中的性能提升简单写成“脱铜必然增效”。同样，碱性衰减也不能完全归因于某一种铜硫化物。这里的核心结论是，Mo6S8框架总体保留，而Cu物种高度依赖电解液环境发生重构。
图4 Cu2.76Mo6S8循环后的HER变化及Mo 3d、S 2p化学状态。
05 快速合成拓展插层电催化材料筛选空间
这项工作的应用价值首先体现在“缩短实验回路”。传统固相合成一次组成筛选可能等待数十小时乃至数天，而30秒恒温的焦耳热过程让组成、物相纯度和HER响应可以更快地被串联起来，适合筛选Cu、其他插层金属或不同Mo–S团簇组成。对于Chevrel相这类结构家族，快速锁定高纯物相是进一步研究插层量、电子结构和催化活性关系的前提。
其次，Cu2.76Mo6S8展示了“跨pH行为可被组成调节”这一设计思路。虽然它尚不是低过电位催化剂，且碱性长期稳定性仍需改善，但其酸碱过电位和Tafel斜率高度接近，为比较不同pH下同一团簇骨架的反应机制提供了清晰模型。后续若要走向实际电解应用，需要进一步降低过电位，并把重构后的真实活性界面、硫流失路径和长期耐久性联系起来研究。
06 总结与展望
总体来看，该研究用1500℃、30秒恒温的焦耳热过程制备了Cu插层Mo6S8 Chevrel相，其中Cu2.76Mo6S8获得99.6%的目标相纯度。电化学结果揭示了其近乎pH对称的HER响应，而循环后的物相与成分分析则把酸中活化和碱中失稳分别联系到优先脱铜、硫损耗及含铜副相演化。
更值得关注的是，论文没有把复杂重构简化为单一因果链，而是明确指出当前证据的边界。下一步需要在保持快速合成优势的同时，结合原位/工况表征、纯相参比和更系统的电化学评价，区分本征活性、表面积与表面重构的贡献。若这些环节能够补齐，焦耳热制备的Cu插层Chevrel相有望成为研究跨pH析氢机制和开发耐用电催化剂的重要材料平台。
论文信息：Zongchen Jiang, Wenqi Li, Zhenyu Chen, Shengnan Zhang, Botao Shao, Fan Yang, Ping Hu, Chengshan Li, Pingxiang Zhang; Thirty-second Joule-heating synthesis of Cu-intercalated Mo6S8 Chevrel phases with pH-symmetric hydrogen evolution behavior. RSC Adv. 2026; https://doi.org/10.1039/d6ra05873f
