背景介紹
能源危機(jī)和環(huán)境問題的日益加劇，促使人們加快可再生清潔能源的開發(fā)和利用的腳步，氫能作為最具潛力的清潔能源之一備受關(guān)注， 目前開發(fā)高效析氫催化劑的研究成為電解水獲得氫氣的研究重點(diǎn)之一。目前，鉑及其合金仍然是最有效的HER催化劑，但其昂貴的價(jià)格及有限的儲(chǔ)量限制了鉑基催化劑的大規(guī)模工業(yè)應(yīng)用。過渡金屬硫?qū)倩衔?(TMDs) 因具有潛在的大量活性位點(diǎn)和化學(xué)穩(wěn)定性等優(yōu)勢被認(rèn)為是催化應(yīng)用的潛在替代品。然而，位于基面上的大量位點(diǎn)仍然不具有催化活性。因此，研究如何激活二維TMDs基面惰性原子的催化活性具有重要的意義和挑戰(zhàn)性。
成果簡介 哈爾濱理工大學(xué)陳明華教授團(tuán)隊(duì)與中國科學(xué)技術(shù)大學(xué)王功名教授團(tuán)隊(duì)采用水熱和化學(xué)氣相沉積法制備了磷摻雜硫化鎢納米線（P-WS2 NWAs）陣列，通過精確調(diào)控磷硫比例，實(shí)現(xiàn)了高的本征催化活性，并進(jìn)一步證明了磷調(diào)制是一種通用且簡便的策略，可有效改善TMDs 的HER催化作用，包括WSe2，這表明催化增強(qiáng)具有廣泛的普遍性。密度泛函理論計(jì)算結(jié)果表明，磷的引入可以增強(qiáng)鎢d軌道和硫p軌道之間的雜化，從而減小帶隙，提高磷摻雜硫化鎢的電導(dǎo)率。此外，磷摻雜劑可以使費(fèi)米能級(jí)周圍的態(tài)密度再分布，有利于磷摻雜硫化鎢基面上的電子傳遞、氫吸附和還原，賦予基面類邊緣催化活性?；谶m當(dāng)比例的磷作為電子結(jié)構(gòu)調(diào)制器,磷摻雜硫化鎢電極表現(xiàn)出優(yōu)異的性能,在電流密度為10 mA?cm-2時(shí)，過電位為88 mV，Tafel斜率為62 mV?dec-1。重要的是，通過合理的軌道和電子調(diào)制來調(diào)節(jié)活性位點(diǎn)的電子密度，可以為開發(fā)高性能的HER催化劑等提供有價(jià)值的途徑。 圖文導(dǎo)讀 首先，我們通過電沉積在碳布上制備晶種層，隨后，利用種子輔助水熱合成法在碳布上生長氧化鎢納米線。最后，同時(shí)磷化和硫化氧化鎢得到磷摻雜硫化鎢納米線。 圖1 P-WS2 NWAs的形貌表征。 利用三電極體系評(píng)估HER性能，P-WS2 NWAs在HER催化中表現(xiàn)出最佳的催化行為，在10 mA?cm?2的電流密度下過電位為88 mV，遠(yuǎn)優(yōu)于WS2 NWAs。 圖2 P-WS2 NWAs的HER性能圖。 為了直觀地顯示P摻雜劑對(duì)WS2電子結(jié)構(gòu)的影響，作者進(jìn)一步進(jìn)行了密度泛函理論計(jì)算?？倯B(tài)密度分析表明P摻雜劑可以提高價(jià)帶，顯著增加S的費(fèi)米能級(jí)附近的電子態(tài)密度，有利于電子傳遞、增強(qiáng)氫吸附并促進(jìn)氫還原，從而提高催化活性。 圖3 DFT揭示調(diào)控的本質(zhì)原因。 作者簡介 陳明華，哈爾濱理工大學(xué)教授，博士生導(dǎo)師，國家優(yōu)青，黑龍江省杰青、龍江學(xué)者。長期從事儲(chǔ)能器件與關(guān)鍵材料的設(shè)計(jì)構(gòu)建、電荷輸運(yùn)調(diào)控及儲(chǔ)能機(jī)理的研究。近年來在Adv. Mater.、Adv. Energy Mater.、Nano Energy、Adv. Funct. Mater.、Small等期刊發(fā)表SCI論文100余篇。授權(quán)國家發(fā)明專利11項(xiàng)。獲黑龍江省自然科學(xué)二等獎(jiǎng)2項(xiàng)和黑龍江省青年科技獎(jiǎng)。目前擔(dān)任電氣與電子工程學(xué)院副院長、工程電介質(zhì)及其應(yīng)用教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室副主任，以及中國電機(jī)工程學(xué)會(huì)高電壓專委會(huì)青年學(xué)組委員、IEEE PES中國區(qū)電動(dòng)汽車動(dòng)力電池技術(shù)委員會(huì)常務(wù)理事、黑龍江省青年聯(lián)合會(huì)委員等職務(wù)。 王功名，博士，中國科學(xué)技術(shù)大學(xué)化學(xué)與材料科學(xué)學(xué)院教授，博士生導(dǎo)師。2008年本科畢業(yè)于中國科學(xué)技術(shù)大學(xué)，2013年于美國加州大學(xué) Santa Cruz 分校獲博士學(xué)位。2013-2016年期間在美國加州大學(xué) Los Angeles 分校從事博士后研究工作，2016年6月加入中國科學(xué)技術(shù)大學(xué)。長期聚焦于材料的表界面調(diào)控的研究，通過設(shè)計(jì)新穎的表面功能化策略，發(fā)展材料在能源和催化領(lǐng)域的應(yīng)用。在Nano Res.，Nat. Commun.，Sci. Adv.，Adv. Mater.，J. Am. Chem. Soc.等國際著名期刊上發(fā)表SCI論文100余篇。 文章信息 Fan Wang, Shuwen Niu, Xinqi Liang, Gongming Wang*, Minghua Chen*. Phosphorus Incorporation Activates the Basal Plane of Tungsten Disulfide for Efficient Hydrogen Evolution Catalysis. Nano Research https://doi.org/10.1007/s12274-021-3873-2.
