電催化水分解產(chǎn)氫中制氫是實(shí)現(xiàn)全球碳中和的一種有前途的方法。為了實(shí)現(xiàn)有效的能量轉(zhuǎn)換，需要設(shè)計(jì)和開發(fā)穩(wěn)定和經(jīng)濟(jì)的電催化劑。半導(dǎo)體2H相二硫化鉬(2H-MoS2)由于其低成本，儲(chǔ)量豐富和無毒性，已經(jīng)成為商業(yè)Pt基催化劑的主要替代品。與體相MoS2不同，近單層2H-MoS2納米片(2H-MoS2 NSs)由于其高比表面積和表面活性而引起了顯著的關(guān)注，使其成為催化析氫反應(yīng)(HER)的有吸引力的候選者。
為了進(jìn)一步提升2H-MoS2 NS的HER活性，研究人員已經(jīng)探索了幾種化學(xué)或物理方法來調(diào)制2H-MoS2 NS的電子結(jié)構(gòu)，包括光照射，高能離子轟擊，激光燒蝕和物理濺射。然而，這些方法通常需要苛刻的實(shí)驗(yàn)條件，如超臨界水熱，爆炸性氣體氛圍和高風(fēng)險(xiǎn)試劑等，這限制2H-MoS2 NS的實(shí)際應(yīng)用。因此，迫切需要開發(fā)一種在溫和條件下制備近原子層2H-MoS2 NS的方法，以推進(jìn)其電催化實(shí)際應(yīng)用。近日，上海大學(xué)王亮、南洋理工大學(xué)劉政、雷振東和華東理工大學(xué)練成等在理論計(jì)算的指導(dǎo)下通過石墨烯量子點(diǎn)(GQDs)輔助的水熱法制備了近原子層2H-MoS2納米片(ALQD)。具體而言，研究人員首先通過理論計(jì)算證明，GQD中的吸電子基團(tuán)可以擴(kuò)大2H-MoS2的層間距，有效地促進(jìn)2D 2H-MoS2 NSs的形成；此外，Mo和S作為潛在的活性位點(diǎn)，由ALQD的吸電子基團(tuán)激活，從而導(dǎo)致增強(qiáng)的HER性能?；诶碚擃A(yù)測(cè)結(jié)果，研究人員利用GQDs誘導(dǎo)的原位自下而上的策略，通過調(diào)節(jié)吸電子/給電子官能團(tuán)的濃度來制備近原子層ALQD-SO3。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，所制備的ALQD-SO3具有近原子層厚度(2 nm)和反應(yīng)穩(wěn)定性，并且該催化劑表現(xiàn)出顯著改善的HER性能，其在10 mA cm?2電流密度下的過電位為245 mV，Tafel斜率為93.2 mV dec?1，并且該催化劑在0.25 VRHE下連續(xù)運(yùn)行160小時(shí)而幾乎沒有發(fā)生活性衰減。此外，研究人員還揭示了吸電子基團(tuán)功能化的GQD和供電子基團(tuán)功能化的GQD對(duì)MoS2 NSs的結(jié)構(gòu)和HER活性的不同影響：吸電子基團(tuán)功能化的GQD促進(jìn)了MoS2的NS結(jié)構(gòu)的形成和加速HER過程，而供電子基團(tuán)功能化的GQD有利于聚集體MoS2的構(gòu)建并導(dǎo)致緩慢的HER動(dòng)力學(xué)。總的來說，該項(xiàng)工作對(duì)相關(guān)原子層半導(dǎo)體電催化劑的開發(fā)具有啟發(fā)意義，有助于進(jìn)一步探索原子層半導(dǎo)體電催化劑的物理化學(xué)性質(zhì)及其在電化學(xué)器件和催化領(lǐng)域的應(yīng)用。Graphene Quantum Dot-Mediated Atom-Layer Semiconductor Electrocatalyst for Hydrogen Evolution. Nano-Micro Letters, 2023. DOI: 10.1007/s40820-023-01182-7
