清華-伯克利深圳學(xué)院劉碧錄、鄒小龍、成會(huì)明團(tuán)隊(duì)發(fā)文揭示單原子/單層二維材料超快產(chǎn)氫電催化劑機(jī)理
清華新聞網(wǎng)12月31日電 12月13日，清華-伯克利深圳學(xué)院（簡(jiǎn)稱(chēng)TBSI）劉碧錄、鄒小龍、成會(huì)明團(tuán)隊(duì)在《美國(guó)化學(xué)會(huì)納米》（ACS Nano）期刊上在線(xiàn)發(fā)表了題為《配位不飽和單原子/單層過(guò)渡金屬硫族化合物超快產(chǎn)氫電催化劑》（Unsaturated Single Atoms on Monolayer Transition Metal Dichalcogenides for Ultrafast Hydrogen Evolution）的研究論文。該研究團(tuán)隊(duì)開(kāi)發(fā)了一種新型普適的制備單原子催化劑的方法——低溫等離子體處理法，解決了將單原子負(fù)載在各種單層二維材料上的挑戰(zhàn)。通過(guò)結(jié)合二維材料結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單和單原子高催化活性的優(yōu)勢(shì)，單原子激活了二維材料表面的電催化活性，并且提供了適用于機(jī)理研究的模型催化劑。進(jìn)一步結(jié)合單片二硫化鉬微型電化學(xué)反應(yīng)器測(cè)試，該研究發(fā)現(xiàn)了二硫化鉬電催化劑的一種新型催化活性位點(diǎn)，并揭示了其優(yōu)異的本征動(dòng)力學(xué)。該工作對(duì)設(shè)計(jì)高效電催化劑具有指導(dǎo)意義，而且為研究單原子催化劑機(jī)理提供了一種新思路。
當(dāng)前，能源危機(jī)和環(huán)境污染問(wèn)題日益嚴(yán)重，發(fā)展電解水產(chǎn)氫技術(shù)能被視為應(yīng)對(duì)該問(wèn)題的重要策略之一。過(guò)高的電能消耗和高昂的貴金屬催化劑材料（如鉑、銥、釕等）嚴(yán)重阻礙了電解水技術(shù)的發(fā)展。因此，開(kāi)發(fā)具有高本征電催化活性的電催化劑并理解它們的工作機(jī)理成為該領(lǐng)域的核心挑戰(zhàn)。近年來(lái)，單原子作為一種高效催化劑，具有比納米顆粒催化劑更高的催化活性和更好的穩(wěn)定性得到了廣泛的關(guān)注。然而現(xiàn)有的制備單原子催化劑的方法得到的單原子往往負(fù)載在塊體或多層結(jié)構(gòu)的載體上，這使得它們的化學(xué)環(huán)境和結(jié)構(gòu)非常復(fù)雜，不利于機(jī)理研究。
本文提出了一種新型普適的制備單原子催化劑的方法——低溫等離子體處理法，解決了將單原子負(fù)載在各種單層二維材料上的挑戰(zhàn)。通過(guò)將二維過(guò)渡金屬硫族化合物進(jìn)行處理，得到了負(fù)載有不同種類(lèi)的同源金屬單原子的二維材料，其清晰的結(jié)構(gòu)可用作催化機(jī)理的研究。結(jié)果表明，在保持單層二維材料結(jié)構(gòu)完整的同時(shí)，可獲得負(fù)載在二維材料上密度較高的不同種金屬單原子（例如：鉬、鎢等，1013 atoms cm-2）。同時(shí)，結(jié)合單片二硫化鉬微型電化學(xué)反應(yīng)器的測(cè)試，該研究發(fā)現(xiàn)了一種二硫化鉬電催化劑的新型活性位點(diǎn)，即鉬單原子/單層二硫化鉬，它具有很小的Tafel斜率（36.4 mV dec-1）和低的過(guò)電位（260 mV @400 mA/cm2），是目前報(bào)道MoS2基催化劑材料中的最好性能之一。理論計(jì)算結(jié)果表明了鉬單原子/單層二硫化鉬上的氫吸附能接近0 eV，具有優(yōu)異的氫吸附/脫附動(dòng)力學(xué)。以上研究結(jié)果對(duì)理解電催化分解水過(guò)程中的基礎(chǔ)科學(xué)問(wèn)題和高效電解水催化劑的設(shè)計(jì)具有重要指導(dǎo)意義，相關(guān)策略有望進(jìn)一步拓展至其他材料體系和電催化反應(yīng)中。
圖1.低溫等離子體處理法制備單原子/單層二維材料電催化劑
圖2.鉬單原子/單層二硫化鉬材料的結(jié)構(gòu)和化學(xué)表征
圖3.鉬單原子/單層二硫化鉬的微型電化學(xué)反應(yīng)器模型及電催化性能測(cè)試
圖4.催化劑表面氫吸附吉布斯自由能和態(tài)密度理論計(jì)算結(jié)果
論文共同第一作者為T(mén)BSI 2017級(jí)博士生羅雨婷、博士后張樹(shù)清，論文共同通訊作者為T(mén)BSI劉碧錄副教授和鄒小龍副教授，及南方科技大學(xué)林君浩副教授，論文作者還包括潘海洋博士、博士生肖舒劼、博士生郭增龍、博士生唐磊、Usman Khan博士, 丁寶福博士、博士生李萌、博士生蔡正陽(yáng)、趙悅副教授、呂偉副研究員、馮晴亮副教授、成會(huì)明教授。該研究由國(guó)家自然科學(xué)基金委以及深圳市經(jīng)信委、科創(chuàng)委和發(fā)改委等部門(mén)支持。
原文鏈接：
https://pubs.acs.org/doi/abs/10.1021/acsnano.9b07763
供稿：清華-伯克利深圳學(xué)院
編輯：李華山
審核：呂婷 周襄楠
