武漢理工大學Nano Lett.：場效應調控VSe2納米片吸附動力學實現HER高效催化
【引言】
二維層狀過渡金屬硫化物（TMDCs）由于其獨特的晶體結構和電子能帶結構，在納米電子學、光電子學和電化學儲能器件領域備受關注。基于TMDCs電子結構轉變而提升電導率的電化學儲能器件，其儲能效率也得到了有效的改善。研究發現MoS2從2H半導體相到1T金屬相的轉變，提高了材料本身的電導率，從而大幅度提高了其在析氫反應（HER）中的催化性能。部分研究稱，通過調節FET基電化學-液相柵極電壓可以有效調控液相中離子濃度和半導體電導率，從而增強離子傳導和優化過電位。對于HER體系而言，除催化熱力學以外，離子動力學也至關重要，如何通過場效應調控電荷輸運速率和吸附動力學仍有待攻克。
【成果簡介】
近日，武漢理工大學麥立強教授課題組在Nano Lett.上發表一篇題為“Field-effect tuned adsorption-dynamics of VSe2 nanosheet for enhanced hydrogen evolution reaction”的文章，介紹了電場調控VSe2納米片吸附動力學，增強HER性能的相關工作。研究人員利用不同的背柵電壓誘導實現了電解液-VSe2納米片界面的離子分布調控，提高了電荷運輸效率，從而在根本上促進了HER的放電過程這一限速反應。由于電場調控VSe2納米片吸附動力學的作用，起始過電位從126 mV降低到了70 mV，電荷轉移電阻從1.03 MΩ降低到了0.15 MΩ，吸附過程時間常數從2.5×10-3 降低到了5.0×10-4 s。通過電場效應調控增強VSe2納米片催化性能這一技術，為非貴金屬催化劑的設計提供了一種新思路。
【圖文導讀】
圖一? HER器件的形貌及工作原理圖示
(a) VSe2的晶體結構模型；
(b) HER器件的結構示意圖；
(c) VSe2納米片的光學顯微圖片，其中黃色條紋代表兩金電極；
(d-e) VSe2納米片的SEM圖像及對應的EDS元素分布圖。
圖二? 單個VSe2納米片的HER活性表征
(a) PMMA, Au, VSe2, Pt的極化曲線；
(b-c) 在不同背柵電壓（Vbg=0 V, -0.2 V, -0.5 V, -0.8 V和-1.0 V）下，單個VSe2納米片的極化曲線及對應的塔菲爾曲線；
(d) 背柵電壓對起始過電位和塔菲爾斜率的影響。
圖三? 電化學阻抗和熱力學分析
(a) 不同背柵電壓下，單個VSe2納米片的奈奎斯特圖；
(b) 電荷轉移電阻（Rct）和極化電阻（Rp）圖；
(c) 相對應的高頻時間常數和低頻時間常數圖；
圖四? HER條件下的原位伏安特性測試
(a) 不同電勢差?V（?V=V1-V2）下的極化曲線，插圖為原位測試電路的示意圖；
(b) 負載電壓為-0.1V、-0.2V和-0.3V時，電勢差?V和電流I之間的線性關系圖；
(c) 線掃描過程中，VSe2納米片的電阻變化曲線，插圖為0.1 V到-0.4 V的部分掃描曲線；
(d) VSe2納米片在0.5 M H2SO4中的開路電壓，步長為-0.1 V，保持時間為10 s；
(e) 不同的附加電位偏置下，電解質區域中的凈電荷濃度分布；
(f) 不同的附加電位偏置下，正、負電荷以及凈電荷濃度（插圖），其中點代表H+，線代表SO4-。
圖五? 計時電流測試
(a)在恒定負載電壓-0.4 V vs. SCE (Vbg = 0 V和-0.8 V)下， VSe2納米片的計時電流曲線；
(b) 在計時電流測量過程（Vbg = -0.8V）中，時間相關的柵極電流。
【小結】
在本文中，研究人員通過背柵電場實現離子和電荷分布調控，提高了VSe2納米片的HER性能。測試結果顯示，初始過電位從126 mV降低到了70 mV，塔菲爾斜率從70 mVdec-1降低到了59 mVdec-1，電荷轉移電阻和高頻時間常數也得到了大幅度減小，從而促進了VSe2納米片HER的放電過程這一限速步。該結果為非貴金屬催化劑的性能提升提供了新的研究方向。
原文鏈接：Field-effect tuned adsorption-dynamics of VSe2 nanosheet for enhanced hydrogen evolution reaction(Nano Lett., 2017, DOI:?10.1021/acs.nanolett.7b00855)
本文由材料人新能源組 深海萬里 供稿，材料牛編輯整理。
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