Adv.Mater.:場效應增強MoS2納米片的析氫反應催化活性

【引言】

氫氣具有很高的能量密度，是一種綠色的清潔能源。分解水是一種常見的制備氫氣的方法，包括析氫反應（HER）和析氧反應。一種高性能的析氫反應催化劑需要具備高速的電子傳輸能力，具有高密度的催化活性位點，以及較為合適的吸附氫原子的吉布斯自由能。金屬Pt可以滿足上述條件，是一種優異的析氫反應催化劑。但是Pt在自然界中儲量稀少，限制了其在工業生產中的應用。所以找到一種高性能、低成本的析氫反應催化劑是十分必要的。理論計算表明二硫化鉬（MoS₂）可以替代Pt作為析氫反應催化劑，但是活性位點的熱力學不穩定性和較低的電導率成為了它的限制因素。人們采用很多方法來增加MoS₂的催化活性，例如控制形貌和結構，增加缺陷作為活性位點以及與其他材料復合來增加電子傳輸速率等等。從以前對MoS₂晶體管的研究來看，電場效應可以同時減少接觸電阻和MoS₂的薄層電阻，從而得到更快的電子傳輸速率。因此，電場效應可能會使MoS₂具有更好的析氫反應催化活性。

【成果簡介】

近日，武漢理工大學的麥立強教授（通訊作者）、晏夢雨博士（通訊作者）在Advanced Materials上發表了題為“Field Effect Enhanced Hydrogen Evolution Reaction of MoS₂ Nanosheets”的文章。用單個MoS₂納米片成功制備了電場調節的析氫反應設備來探究電場效應對催化反應的影響。隨著電場的引入，MoS₂納米片的催化性能得到了明顯的提高。在電流密度為100 mA μm^-2條件下的最低過電位可達到38 mV，在背柵電壓為5 V時的塔菲爾斜率值降低到沒有電場時的一半。研究結果證明了電場效應通過降低通道電阻、加快電荷傳輸可以有效地增強MoS₂的析氫反應催化活性。

【圖文導讀】

圖1 MoS₂納米片電場調節析氫反應裝置制備的三維原理圖。

a)?Si基底（藍色）表面上有300 nm的SiO₂（粉色）和5 nm/50 nm的Cr/Au電極

b)?通過機械剝離法制備的MoS₂納米片（紫色）轉移到SiO₂表面上

c)?用電子束平印術固定MoS₂納米片，之后在熱蒸鍍機上沉積5 nm/150 nm Cr/Au

d)?通過電子束平印術將光刻膠（PMMA）覆蓋到帶有裸露MoS₂納米片的硅片上，外露的高電導硅基底是用來施加背柵電壓的

e-h)?在不同裝配狀態下MoS₂納米片電場調節析氫反應裝置的光學影像，分別對應于（a-d）。

圖2?MoS₂納米片以及析氫反應裝置的表面形貌。

a) MoS₂納米片HER裝置的FESEM圖像

b)?MoS₂納米片的原子力顯微鏡圖像

c)?HER催化測量中三電極的示意圖

d)?催化測量的實物連接圖。

圖3 不同樣品及不同柵電壓下的性能表征。

a)?空白試樣，Au電極，MoS₂納米片和Pt的HER極化曲線

b)?初始MoS₂納米片，經過電解液浸漬后的MoS₂納米片和經過電化學測量后的納米片的拉曼光譜

c)?在不同背柵電壓下的HER極化曲線，最好的催化性能出現在柵電壓為5 V的時候

d)?不同背柵電壓對應的塔菲爾斜率。

圖4 不同電壓下MoS₂納米片HER裝置的能帶情況。

a)?在不同柵電壓下（0-10 V）的MoS₂納米片HER裝置的I-V曲線

b)?MoS₂納米片HER裝置的通道電導變化趨勢。MoS₂納米片HER裝置的能帶隨著柵電壓的不同而變化

c)?裝置在閉合線路但不加任何柵電壓條件下的標準狀態

d)?裝置在外加正柵電壓下的能帶情況

e)?裝置在外加負柵電壓下的能帶情況。

【結論】

該研究工作成功制備了以MoS₂納米片為基礎的析氫反應裝置，通過引入電場來探究電場效應對MoS₂催化活性的影響。結果證明正電場的引入使得MoS₂納米片的催化活性顯著提高。在引入5 V的柵電壓后，MoS₂的催化反應過電位從240 mV降低到38 mV，這一結果在性能上已經能夠和Pt相比。通過能帶理論，我們可以得出催化活性的提高主要歸因于電場的引入提高了MoS₂納米片的通道電導。這一通過引入電場來提高析氫反應催化活性的策略也可以應用于其他電化學反應過程當中，具有非常重要的意義。

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

本文由材料人編輯部新能源學術組wangcong供稿。

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