【Science】MoS2電催化制氫的活性邊緣位點的鑑定

2021-02-24 二維材料前沿
異相催化中活性位點的鑑定需要表面敏感方法和反應性研究的結合。固態催化劑具有多種不同的催化位點，且難以識別和量化，而確定活躍的活性位點對於催化材料的開發和設計至關重要。美國史丹福大學Thomas F. Jaramillo教授工作團隊確定了納米顆粒MoS2的氫釋放反應（HER）2H++ 2e-→H2的活性位點。該論文「Identification of Active Edge Sites for Electrochemical H2 Evolution from MoS2 Nanocatalysts 」發表在《Science》期刊上。圖1 MoS2納米顆粒在Au（111）上的一系列STM圖像。 顆粒表現出具有導電邊緣態的典型多邊形形態，並且不考慮覆蓋率和退火溫度（400°C或550°C）而分散在Au表面上密度泛函理論（DFT）的計算表明，MoS2納米粒子的的邊緣對析氫具有活性。對MoS2催化劑的結構研究表明，它幾乎完全由S-Mo-S三層的扁平多邊形組成。對於單個三層膜，存在兩種常規類型的表面位點：露臺位點（位於基面上的那些位點）和邊緣位點（位於納米粒子的邊緣），本文中MoS2樣品通過將Mo物理氣相沉積在乾淨的Au（111）襯底合成的。圖2 在五個不同的MoS2樣品以及空白樣品的陰極電勢窗口中的極化曲線和Tafel圖。 退火至400°C的樣品為深藍色，退火至550°C的樣品為淺藍色繪製了每個樣品的交流電流密度與兩個樣品參數，MoS2面積覆蓋率（圖3A）和MoS2邊緣狀態長度（圖3B）的關係。 僅當繪製與邊緣長度的關係時，數據點才落在一條直線上。由於反應速率與所有樣品的邊緣位點數量成正比，而與顆粒大小無關，因此得出結論即邊緣位點確實是活性位點。圖3 交換電流密度與（A）MoS2面積覆蓋率和（B）MoS2邊緣長度的關係圖4 納米顆粒MoS2和純金屬的交換電流密度與DFT計算得出的吸附原子氫的吉布斯自由能的函數確定其活性位點後，還考慮了其如何進行改善。使所有MoS2邊緣位點吸附H，則活性可以提高4倍。這可以通過適當調整邊緣的電子結構以提高吸附的H的鍵強度來實現。 這樣的修飾可以同時改善每個邊緣部位的固有周轉率，從而進一步提高了材料對Pt類金屬的整體活性。Identification of Active Edge Sites for Electrochemical H2 Evolution from MoS2 Nanocatalysts

Thomas F. Jaramillo, Kristina P. Jørgensen, Jacob Bonde, Jane H. Nielsen

DOI: 10.1126/science.1141483

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版權所屬為2021 American Association for the Advancement of Science


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