氫能作為一種理想的綠色能源，是世界各國(guó)發(fā)展的戰(zhàn)略和科學(xué)研究的熱點(diǎn)。而通過(guò)電解水來(lái)制氫，有效且可再生循環(huán)，其關(guān)鍵在于催化劑。近年來(lái)，二硫化鉬催化劑由于其催化活性高、穩(wěn)定性好、資源豐富、成本低等特點(diǎn)在析氫反應(yīng)中嶄露頭角。單層二硫化鉬是由兩層硫原子將一層鉬原子夾雜在中間形成類(lèi)似三明治的結(jié)構(gòu)，是一個(gè)具有直接帶隙的半導(dǎo)體。已有的研究結(jié)果表明，二硫化鉬的催化活性主要來(lái)自于鉬截止的邊界，基面內(nèi)催化活性很低。如何激活二硫化鉬基面的催化活性，提升其在制氫應(yīng)用中的潛力從而推動(dòng)氫能的發(fā)展，成為最近幾年國(guó)際上廣受關(guān)注的科學(xué)問(wèn)題。

 

近期，中國(guó)科學(xué)院物理研究所/北京凝聚態(tài)物理國(guó)家研究中心納米物理與器件重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室N07組博士生祝建琦在導(dǎo)師張廣宇研究員的指導(dǎo)下，與北京大學(xué)江穎教授及南開(kāi)大學(xué)張立新教授課題組合作，發(fā)展了一種全新的激活和優(yōu)化二硫化鉬基面催化活性的方法。他們以大面積、高質(zhì)量的單層二硫化鉬為實(shí)驗(yàn)對(duì)象，結(jié)合前期發(fā)展的表面誘導(dǎo)相變技術(shù)，研究了一系列具有不同晶疇和相疇密度的樣品的析氫催化活性。通過(guò)對(duì)基面不同區(qū)域的電催化局域測(cè)量，他們發(fā)現(xiàn)2H-2H疇區(qū)邊界和2H-1T相邊界都可作為基面上有效的催化活性位點(diǎn)；且相較之下，2H-1T相邊界比2H-2H疇區(qū)邊界更具催化活性。進(jìn)一步的掃描隧道顯微鏡表征和第一性原理計(jì)算，分別從實(shí)驗(yàn)和理論上都證實(shí)了2H-1T相邊界為氫的吸附和釋放提供了優(yōu)越的位點(diǎn)。進(jìn)而，他們成功制備出了一種新型基于兩級(jí)結(jié)構(gòu)的多晶混相二硫化鉬催化劑。這種兩級(jí)結(jié)構(gòu)富含2H-2H疇區(qū)邊界和2H-1T相邊界，具有優(yōu)異的催化性能，開(kāi)啟過(guò)電位僅為0.1 V，當(dāng)陰極電流為10 mA/cm2時(shí)過(guò)電位低至136 mV。不僅如此，這種二硫化催化劑還具有極好的穩(wěn)定性，并可以同時(shí)適用于酸性或堿性的環(huán)境。

 

最后，他們將催化劑尺寸升級(jí)，制備出了基于四英寸晶圓尺度單層二硫化鉬催化劑，展示了大面積單層二硫化鉬在催化析氫中的實(shí)際應(yīng)用潛力。這種基于晶界調(diào)控的單層二硫化鉬催化劑高效、可控，為將來(lái)工業(yè)化制氫的發(fā)展提供了新的思路。該工作發(fā)表于Nature Communications 10, 1348, (2019)。該項(xiàng)研究工作得到了國(guó)家自然科學(xué)基金、中科院戰(zhàn)略性先導(dǎo)科技專(zhuān)項(xiàng)、中科院前沿科學(xué)重點(diǎn)研究項(xiàng)目、國(guó)家重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃的資助。

 

 

圖1.（a）單層二硫化鉬單晶（b）近單晶單層二硫化鉬2H-2H疇區(qū)邊界（c）多晶單層二硫化鉬邊界（d，e）二硫化鉬析氫催化器件（f，g）2H-2H疇區(qū)邊界與2H-1T相邊界催化性能。

 

 

圖2.（a-c）多相二硫化鉬的STM表征（d，e）氫化處理后樣品STM表征（f）相邊界原子的態(tài)密度。