四校联合Nature Commun：Frenkel缺陷单层MoS2用于高效催化析氢

导  读

缺陷工程是提高二维二硫化钼基面电催化析氢活性的有效策略。本文报道了一种Frenkel缺陷的单层MoS₂催化剂，其中MoS₂中的一部分Mo原子自发地离开原本在晶格中的位置，因在晶格附近停留产生空位，而成为间隙态原子。通过在MoS₂表面引入了独特的电荷分布，间隙态的Mo原子更有利于H的吸附，从而极大地促进了单层MoS₂基面的HER活性。在电流密度为10 mA cm⁻²时，最优的Frenkel缺陷单层MoS₂的过电位(164 mV)低于原始单层MoS₂表面平面(358 mV)或pt单原子掺杂MoS₂ (211 mV)的过电位。这项工作为点状缺陷MoS₂的结构和性能关系提供了深入的见解，并强调了Frenkel缺陷在调节MoS₂材料催化性能方面的优势。

成果掠影

近日，湖南大学刘松教授，华东理工大学戴升教授，苏州大学李彦光教授、天津理工大学罗俊教授等人联合设计并合成了一种Frenkel缺陷的单层MoS₂催化剂，其中间隙Mo原子的原子构型及原子空位通过球差校正扫描透射电子显微镜和其他光谱表征被揭晓。微电化学性能测试了不同缺陷结构的电催化析氢性能，密度泛函理论 (DFT) 计算揭示了 MoS₂中 Frenkel 缺陷引入的独特电荷分布和 H 吸附位点。这些发现证明了 Frenkel 缺陷在调整 2D 材料的 HER 性能方面的优势，明显优于 Pt 单原子掺杂的 2D 催化剂。该研究成果以题为“Frenkel-defected monolayer MoS₂ catalysts for efficient hydrogen evolution”发表于Nature Communications上。

核心创新点

1. 设计并合成Frenkel缺陷的单层MoS₂催化剂，调节Mo原子的位置，使其与晶格产生间隙，进而增强Mo原子的吸附氢能力，进而提高该催化剂的催化析氢性能。
2. 通过理论计算更深入地揭示了Frenkel缺陷的单层MoS₂催化剂高效析氢的机理。
3. 该研究表明了Frenkel缺陷修饰结构在调节MoS₂催化性能中的优势，同时为研究点缺陷MoS₂催化剂材料的结构-性质关系提供了深入的见解。

数据概览

图1  FD-MoS₂的制备及结构表征 © 2022 The Authors

图 2  基于 MoS ₂的催化剂的 AC-STEM 表征 © 2022 The Authors

图3  利用微电化学装置(微反应器)对二硫化钼催化剂进行HER测量及性能研究 © 2022 The Authors

图4  单层原始MoS ₂、FD-MoS ₂和Pt-MoS ₂的表面电荷密度分布和HER催化活性的DFT计算结果 © 2022 The Authors

成果启示

该项研究设计和合成了一种Frenkel缺陷单层MoS₂催化剂，并通过球差校正扫描透射电子显微镜 (AC-STEM)观察揭示了MoS₂中Frenkel缺陷的原子构型。根据采用微反应器的电化学测试，与原始的MoS₂和Pt-MoS₂催化剂相比，FD-MoS₂显示出增强的HER活性。密度泛函理论计算(DFT)计算揭示了MoS₂中Frenkel缺陷的存在引入的独特电荷分布，改变了H吸附位点并为FD-MoS₂提供了适度的H*吸附能. 这项工作不仅深入了解了点缺陷MoS₂材料的结构-性能关系，而且在原子水平上为二维电化学催化剂的设计提供了一种有效且经济的缺陷工程策略。

文献链接：https://doi.org/10.1038/s41467-022-29929-7