清华-伯克利深圳学院刘碧录、邹小龙、成会明团队发文揭示单原子/单层二维材料超快产氢电催化剂机理
清华新闻网12月31日电 12月13日，清华-伯克利深圳学院（简称TBSI）刘碧录、邹小龙、成会明团队在《美国化学会纳米》（ACS Nano）期刊上在线发表了题为《配位不饱和单原子/单层过渡金属硫族化合物超快产氢电催化剂》（Unsaturated Single Atoms on Monolayer Transition Metal Dichalcogenides for Ultrafast Hydrogen Evolution）的研究论文。该研究团队开发了一种新型普适的制备单原子催化剂的方法——低温等离子体处理法，解决了将单原子负载在各种单层二维材料上的挑战。通过结合二维材料结构简单和单原子高催化活性的优势，单原子激活了二维材料表面的电催化活性，并且提供了适用于机理研究的模型催化剂。进一步结合单片二硫化钼微型电化学反应器测试，该研究发现了二硫化钼电催化剂的一种新型催化活性位点，并揭示了其优异的本征动力学。该工作对设计高效电催化剂具有指导意义，而且为研究单原子催化剂机理提供了一种新思路。
当前，能源危机和环境污染问题日益严重，发展电解水产氢技术能被视为应对该问题的重要策略之一。过高的电能消耗和高昂的贵金属催化剂材料（如铂、铱、钌等）严重阻碍了电解水技术的发展。因此，开发具有高本征电催化活性的电催化剂并理解它们的工作机理成为该领域的核心挑战。近年来，单原子作为一种高效催化剂，具有比纳米颗粒催化剂更高的催化活性和更好的稳定性得到了广泛的关注。然而现有的制备单原子催化剂的方法得到的单原子往往负载在块体或多层结构的载体上，这使得它们的化学环境和结构非常复杂，不利于机理研究。
本文提出了一种新型普适的制备单原子催化剂的方法——低温等离子体处理法，解决了将单原子负载在各种单层二维材料上的挑战。通过将二维过渡金属硫族化合物进行处理，得到了负载有不同种类的同源金属单原子的二维材料，其清晰的结构可用作催化机理的研究。结果表明，在保持单层二维材料结构完整的同时，可获得负载在二维材料上密度较高的不同种金属单原子（例如：钼、钨等，1013 atoms cm-2）。同时，结合单片二硫化钼微型电化学反应器的测试，该研究发现了一种二硫化钼电催化剂的新型活性位点，即钼单原子/单层二硫化钼，它具有很小的Tafel斜率（36.4 mV dec-1）和低的过电位（260 mV @400 mA/cm2），是目前报道MoS2基催化剂材料中的最好性能之一。理论计算结果表明了钼单原子/单层二硫化钼上的氢吸附能接近0 eV，具有优异的氢吸附/脱附动力学。以上研究结果对理解电催化分解水过程中的基础科学问题和高效电解水催化剂的设计具有重要指导意义，相关策略有望进一步拓展至其他材料体系和电催化反应中。
图1.低温等离子体处理法制备单原子/单层二维材料电催化剂
图2.钼单原子/单层二硫化钼材料的结构和化学表征
图3.钼单原子/单层二硫化钼的微型电化学反应器模型及电催化性能测试
图4.催化剂表面氢吸附吉布斯自由能和态密度理论计算结果
论文共同第一作者为TBSI 2017级博士生罗雨婷、博士后张树清，论文共同通讯作者为TBSI刘碧录副教授和邹小龙副教授，及南方科技大学林君浩副教授，论文作者还包括潘海洋博士、博士生肖舒劼、博士生郭增龙、博士生唐磊、Usman Khan博士, 丁宝福博士、博士生李萌、博士生蔡正阳、赵悦副教授、吕伟副研究员、冯晴亮副教授、成会明教授。该研究由国家自然科学基金委以及深圳市经信委、科创委和发改委等部门支持。
原文链接：
https://pubs.acs.org/doi/abs/10.1021/acsnano.9b07763
供稿：清华-伯克利深圳学院
编辑：李华山
审核：吕婷 周襄楠
2019年12月31日 10:41:59 清华新闻网
