揭示二硫化钼中晶界在催化析氢中的重要作用

氢能作为理想的绿色能源，是世界各国发展战略和科研的热点问题。水电解制氢的关键是高效、可再生循环的催化剂。近年来，二硫化钼催化剂因催化活性高、稳定性好、资源丰富、成本低廉等优点，在析氢反应中崭露头角。单层二硫化钼是一种具有直接带隙的半导体，由两层硫原子中间夹着一层钼原子构成，形成类似三明治的结构。现有研究结果表明，二硫化钼的催化活性主要来源于钼截止边界，基面内的催化活性很低。如何激活二硫化钼基面的催化活性，提升其在制氢应用方面的潜力，促进氢能的发展，成为近年来国际上广泛关注的科学问题。

近日，在导师张光宇研究员的指导下，中国科学院物理研究所/北京凝聚态物理国家研究中心纳米物理与器件重点实验室N07组博士生朱建奇与北京大学蒋英教授课题组、南开大学张立新教授课题组合作，发展了一种激活和优化MoS2基面催化活性的新方法。他们以大面积、高质量单层MoS2为实验对象，结合前期发展的表面诱导相变技术，研究了一系列不同晶畴和相畴密度样品的析氢催化活性。通过对基面不同区域电催化的局部测量，发现2H-2H畴边界和2H-1T相边界均可作为基面有效的催化活性位；相比之下，2H-1T相边界的催化活性要高于2H-2H畴边界。进一步通过扫描隧道显微镜表征和第一性原理计算，从实验和理论上证实了2H-1T相边界为氢气的吸附和释放提供了更优越的位点。此外，他们还成功制备了一种基于双层结构的新型多晶混合相MoS2催化剂。这种双层结构富含2H-2H畴边界和2H-1T相边界，具有优异的催化性能，其开路过电位仅为0.1 V，在阴极电流为10 mA/cm2时过电位低至136 mV。此外，这种二硫化物催化剂还具有优异的稳定性，可在酸性和碱性环境中使用。

最后，他们升级了催化剂尺寸，制备了四英寸晶圆级单层MoS2催化剂，展示了大面积单层MoS2在催化制氢方面的实际应用潜力。这种基于晶界调控的单层MoS2催化剂高效可控，为未来工业制氢发展提供了新思路。该工作发表在10,1348,(2019)上。该项研究工作得到了国家自然科学基金、中国科学院战略性先导科技专项、中国科学院前沿科学重点研究项目和国家重点研发计划的资助。

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图1. (a)单层MoS2单晶(b)近单晶单层MoS2 2H-2H畴边界(c)多晶单层MoS2边界(d,e)MoS2析氢催化装置(f,g)2H-2H畴边界与2H-1T相边界的催化性能。

图2. (ac)多相MoS2的STM表征(d,e)氢化处理后样品的STM表征(f)相边界原子的状态密度。