開發(fā)高效而廉價的析氫反應(yīng) (HER) 催化劑是實現(xiàn)清潔且可再生的氫經(jīng)濟的重要一環(huán)。二維過渡金屬硫族化合物 (TMDCs) 作為有前景的非貴金屬HER催化劑之一，已引起科研界的廣泛關(guān)注。
然而，理論和實驗均表明TMDCs的電化學(xué)活性位點主要分布在邊緣，而平面卻表現(xiàn)出電化學(xué)惰性。此外，由于其本征的范德瓦爾斯層間結(jié)構(gòu)，電子在TMDCs中的層間躍遷總是受到限制，因此顯示出較低的垂直電導(dǎo)性。
近日，華中科技大學(xué)的劉友文副教授、翟天佑教授和安徽師范大學(xué)的盧寧副教授合作，提出螺旋納米片結(jié)構(gòu)模型實現(xiàn)對缺陷位點和垂直傳導(dǎo)的雙重調(diào)控。通過化學(xué)氣相沉積成功合成出螺位錯驅(qū)動生長的二維MoTe2螺旋納米片，基于單個MoTe2螺旋納米片的電催化微納器件測試表明，螺旋結(jié)構(gòu)MoTe2相對于機械剝離樣品析氫電流密度大幅提高了兩個數(shù)量級。
MoTe2螺旋在化學(xué)氣相沉積過程中通過螺位錯外延生長從而形成豐富的邊緣臺階。通過理論計算發(fā)現(xiàn)，臺階邊緣區(qū)域的Te空位相較于遠離邊緣區(qū)域貢獻了更低的ΔGH*。高分辨透射電子顯微鏡圖像可直接觀察到主要分布在邊緣臺階區(qū)域附近的豐富的Te空位，可作為額外的HER活性位點。此外，MoTe2螺旋相較于層狀樣品具有更高的表面電勢，有利于電子向質(zhì)子氫的轉(zhuǎn)移從而促進HER過程。 通過導(dǎo)電原子力顯微鏡，作者發(fā)現(xiàn)在同樣的偏壓下，MoTe2螺旋在30 nm內(nèi)的不同高度下均保持一致的垂直電流，而MoTe2層狀樣品則表現(xiàn)出垂直電流對厚度的強烈依賴，在僅15 nm高度處即表現(xiàn)為不導(dǎo)通狀態(tài)。對比之下，作者確認范德瓦爾斯層狀材料的螺結(jié)構(gòu)可以通過連續(xù)的位錯線以螺旋狀路徑傳輸電流，實現(xiàn)增強的垂直導(dǎo)電性，從而改善了電子從催化劑負載到TMDCs催化劑再到吸附中間物的遷移。 最終，基于MoTe2螺旋的單片器件在測試中表現(xiàn)出優(yōu)異的HER活性。該工作開發(fā)了一個新的結(jié)構(gòu)模型，突破了TMDCs用于HER的本征限制，并有望為這類獨特的微結(jié)構(gòu)開辟用于惰性催化反應(yīng)的多種可能性。 論文信息： Dual-Regulation of Defect Sites and Vertical Conduction by Spiral Domain for Electrocatalytic Hydrogen Evolution Xipeng Tong, Yang Zhao, Zhiwen Zhuo, Zhenhong Yang, Shuzhe Wang, Youwen Liu,* Ning Lu,* Huiqiao Li and Tianyou Zhai* Angewandte Chemie International Edition DOI: 10.1002/anie.202112953
