Adv.Mater.:场效应增强MoS2纳米片的析氢反应催化活性

【引言】

氢气具有很高的能量密度，是一种绿色的清洁能源。分解水是一种常见的制备氢气的方法，包括析氢反应（HER）和析氧反应。一种高性能的析氢反应催化剂需要具备高速的电子传输能力，具有高密度的催化活性位点，以及较为合适的吸附氢原子的吉布斯自由能。金属Pt可以满足上述条件，是一种优异的析氢反应催化剂。但是Pt在自然界中储量稀少，限制了其在工业生产中的应用。所以找到一种高性能、低成本的析氢反应催化剂是十分必要的。理论计算表明二硫化钼（MoS₂）可以替代Pt作为析氢反应催化剂，但是活性位点的热力学不稳定性和较低的电导率成为了它的限制因素。人们采用很多方法来增加MoS₂的催化活性，例如控制形貌和结构，增加缺陷作为活性位点以及与其他材料复合来增加电子传输速率等等。从以前对MoS₂晶体管的研究来看，电场效应可以同时减少接触电阻和MoS₂的薄层电阻，从而得到更快的电子传输速率。因此，电场效应可能会使MoS₂具有更好的析氢反应催化活性。

【成果简介】

近日，武汉理工大学的麦立强教授（通讯作者）、晏梦雨博士（通讯作者）在Advanced Materials上发表了题为“Field Effect Enhanced Hydrogen Evolution Reaction of MoS₂ Nanosheets”的文章。用单个MoS₂纳米片成功制备了电场调节的析氢反应设备来探究电场效应对催化反应的影响。随着电场的引入，MoS₂纳米片的催化性能得到了明显的提高。在电流密度为100 mA µm^-2条件下的最低过电位可达到38 mV，在背栅电压为5 V时的塔菲尔斜率值降低到没有电场时的一半。研究结果证明了电场效应通过降低通道电阻、加快电荷传输可以有效地增强MoS₂的析氢反应催化活性。

【图文导读】

图1 MoS₂纳米片电场调节析氢反应装置制备的三维原理图。

a) Si基底（蓝色）表面上有300 nm的SiO₂（粉色）和5 nm/50 nm的Cr/Au电极

b) 通过机械剥离法制备的MoS₂纳米片（紫色）转移到SiO₂表面上

c) 用电子束平印术固定MoS₂纳米片，之后在热蒸镀机上沉积5 nm/150 nm Cr/Au

d) 通过电子束平印术将光刻胶（PMMA）覆盖到带有裸露MoS₂纳米片的硅片上，外露的高电导硅基底是用来施加背栅电压的

e-h) 在不同装配状态下MoS₂纳米片电场调节析氢反应装置的光学影像，分别对应于（a-d）。

图2 MoS₂纳米片以及析氢反应装置的表面形貌。

a) MoS₂纳米片HER装置的FESEM图像

b) MoS₂纳米片的原子力显微镜图像

c) HER催化测量中三电极的示意图

d) 催化测量的实物连接图。

图3 不同样品及不同栅电压下的性能表征。

a) 空白试样，Au电极，MoS₂纳米片和Pt的HER极化曲线

b) 初始MoS₂纳米片，经过电解液浸渍后的MoS₂纳米片和经过电化学测量后的纳米片的拉曼光谱

c) 在不同背栅电压下的HER极化曲线，最好的催化性能出现在栅电压为5 V的时候

d) 不同背栅电压对应的塔菲尔斜率。

图4 不同电压下MoS₂纳米片HER装置的能带情况。

a) 在不同栅电压下（0-10 V）的MoS₂纳米片HER装置的I-V曲线

b) MoS₂纳米片HER装置的通道电导变化趋势。MoS₂纳米片HER装置的能带随着栅电压的不同而变化

c) 装置在闭合线路但不加任何栅电压条件下的标准状态

d) 装置在外加正栅电压下的能带情况

e) 装置在外加负栅电压下的能带情况。

【结论】

该研究工作成功制备了以MoS₂纳米片为基础的析氢反应装置，通过引入电场来探究电场效应对MoS₂催化活性的影响。结果证明正电场的引入使得MoS₂纳米片的催化活性显著提高。在引入5 V的栅电压后，MoS₂的催化反应过电位从240 mV降低到38 mV，这一结果在性能上已经能够和Pt相比。通过能带理论，我们可以得出催化活性的提高主要归因于电场的引入提高了MoS₂纳米片的通道电导。这一通过引入电场来提高析氢反应催化活性的策略也可以应用于其他电化学反应过程当中，具有非常重要的意义。

原文链接：Field Effect Enhanced Hydrogen Evolution Reaction of MoS₂ Nanosheets（Adv.Mater.,2016,DOI:10.1002/adma.201604464）

本文由材料人编辑部新能源学术组wangcong供稿。

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