進展 | 揭示二硫化鉬中晶界在催化析氫中的重要作用

2021-02-24 中科院物理所

氫能作為一種理想的綠色能源，是世界各國發展的戰略和科學研究的熱點。而通過電解水來制氫，有效且可再生循環，其關鍵在於催化劑。近年來，二硫化鉬催化劑由於其催化活性高、穩定性好、資源豐富、成本低等特點在析氫反應中嶄露頭角。單層二硫化鉬是由兩層硫原子將一層鉬原子夾雜在中間形成類似三明治的結構，是一個具有直接帶隙的半導體。已有的研究結果表明，二硫化鉬的催化活性主要來自於鉬截止的邊界，基面內催化活性很低。如何激活二硫化鉬基面的催化活性，提升其在制氫應用中的潛力從而推動氫能的發展，成為最近幾年國際上廣受關注的科學問題。

近期，中國科學院物理研究所/北京凝聚態物理國家研究中心納米物理與器件重點實驗室N07組博士生祝建琦在導師張廣宇研究員的指導下，與北京大學江穎教授及南開大學張立新教授課題組合作，發展了一種全新的激活和優化二硫化鉬基面催化活性的方法。他們以大面積、高質量的單層二硫化鉬為實驗對象，結合前期發展的表面誘導相變技術，研究了一系列具有不同晶疇和相疇密度的樣品的析氫催化活性。通過對基面不同區域的電催化局域測量，他們發現2H-2H疇區邊界和2H-1T相邊界都可作為基面上有效的催化活性位點；且相較之下，2H-1T相邊界比2H-2H疇區邊界更具催化活性。進一步的掃描隧道顯微鏡表徵和第一性原理計算，分別從實驗和理論上都證實了2H-1T相邊界為氫的吸附和釋放提供了優越的位點。進而，他們成功製備出了一種新型基於兩級結構的多晶混相二硫化鉬催化劑。這種兩級結構富含2H-2H疇區邊界和2H-1T相邊界，具有優異的催化性能，開啟過電位僅為0.1 V，當陰極電流為10 mA/cm2時過電位低至136 mV。不僅如此，這種二硫化催化劑還具有極好的穩定性，並可以同時適用於酸性或鹼性的環境。


最後，他們將催化劑尺寸升級，製備出了基於四英寸晶圓尺度單層二硫化鉬催化劑，展示了大面積單層二硫化鉬在催化析氫中的實際應用潛力。這種基於晶界調控的單層二硫化鉬催化劑高效、可控，為將來工業化制氫的發展提供了新的思路。該工作發表於Nature Communications 10, 1348, (2019)。該項研究工作得到了國家自然科學基金、中科院戰略性先導科技專項、中科院前沿科學重點研究項目、國家重點研發計劃的資助。

文章連結: https://www.nature.com/articles/s41467-019-09269-9


圖1.（a）單層二硫化鉬單晶（b）近單晶單層二硫化鉬2H-2H疇區邊界（c）多晶單層二硫化鉬邊界（d，e）二硫化鉬析氫催化器件（f，g）2H-2H疇區邊界與2H-1T相邊界催化性能。

圖2.（a-c）多相二硫化鉬的STM表徵（d，e）氫化處理後樣品STM表徵（f）相邊界原子的態密度。

編輯：AI

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