北大張豔鋒課題組析氫反應催化劑研究獲進展

據中國科學院網站消息：近日，北京大學工學院材料科學與工程係張豔鋒研究員課題組在《自然∙通訊》（Nature Communications）上發表文章《二維金屬性TaS2：一種電催化析氫反應催化劑》（Two-dimensional metallic tantalum disulfide as a hydrogen evolution catalyst）
，報道了研究組在二維金屬性TaS2薄膜的大麵積可控製備和電催化析氫應用方麵的最新進展。

左圖為金箔上用LPCVD法製備2H-TaS2薄膜的示意圖，電催化析氫反應示意圖
，以及樣品的高分辨TEM圖像
；右圖為VS2納米片的OM圖像，以及其作為單層MoS2器件電極的示意圖

金屬性過渡金屬硫化物(MX2)，特別是由第五副族金屬元素形成的MX2材料，具有磁性、電荷密度波、超(chao)導(dao)等(deng)新(xin)奇(qi)的(de)物(wu)理(li)特(te)性(xing)，而(er)其(qi)二(er)維(wei)限(xian)域(yu)下(xia)的(de)薄(bo)層(ceng)結(jie)構(gou)被(bei)認(ren)為(wei)是(shi)探(tan)索(suo)這(zhe)些(xie)新(xin)奇(qi)物(wu)性(xing)的(de)模(mo)型(xing)體(ti)係(xi)，同(tong)時(shi)也(ye)可(ke)以(yi)應(ying)用(yong)於(yu)柔(rou)性(xing)透(tou)明(ming)電(dian)極(ji)和(he)高(gao)效(xiao)的(de)催(cui)化(hua)/儲能等領域，具有非常廣闊的應用前景。現有獲取二維薄層材料的途徑有兩種，一是通過化學氣相輸運獲得體相MX2
，隨後利用膠帶逐層剝離，但存在層厚不可控、疇chou區qu尺chi寸cun小xiao，無wu法fa實shi現xian規gui模mo化hua製zhi備bei等deng問wen題ti。另ling一yi種zhong方fang法fa是shi借jie助zhu高gao端duan的de分fen子zi束shu外wai延yan方fang法fa
，實shi現xian層ceng厚hou的de精jing確que控kong製zhi
，然ran而er該gai方fang法fa依yi賴lai價jia格ge高gao昂ang的de儀yi器qi設she備bei，且qie製zhi備bei效xiao率lv較jiao低di。

基於課題組前期在二維層狀材料化學氣相沉積(CVD)方麵的長期積累
，最近在金屬性MX2材料的可控製備和應用研究方麵取得了係列研究展。在傳統的SiO2基底上成功地獲得了厚度為幾個納米、麵內尺寸達到幾十微米的1T-VS2納米片，並將其作為超級電容器的電極材料
，在水相電解質中實現了高達8.6×102 F g-1的比電容(Nano Lett. 2017, 17, 4908)。在此基礎上，他們首次利用範德華外延的方法
，在原子級平整的雲母表麵可控合成了超高電導率的金屬性1T-VSe2，該材料是構築半導體性二維材料場效應晶體管器件的理想電極材料(Adv. Mater. 2017, 29, 1702359)。

最近，張豔鋒研究員課題組引入低壓化學氣相沉積(LPCVD)的方法，在金箔基底上首次可控製備了厘米尺寸均勻、具有幻數厚度的高質量2H-TaS2薄膜(4層)。透射電子顯微鏡表征(TEM)顯示薄膜具有非常高的晶體質量
，與機械剝離樣品可比。此外，他們也選用常壓CVD (APCVD)的生長方法，在金箔上製備了層數可調的高質量2H-TaS2納米片。根據溫度依賴的Raman光譜表征結果，確定了不同厚度材料的電荷密度波從公度到近公度的相轉變溫度，進而繪製出了2H-TaS2電荷密度波相變溫度隨層數變化的相圖。更為重要的是
，他們利用2H-TaS2疇chou區qu邊bian緣yuan和he表biao麵mian豐feng富fu的de電dian催cui化hua活huo性xing位wei點dian
，外wai延yan材cai料liao和he金jin屬shu基ji底di良liang好hao的de界jie麵mian耦ou合he，以yi及ji催cui化hua過guo程cheng中zhong納na米mi片pian的de形xing貌mao重zhong整zheng效xiao應ying，獲huo得de了le截jie至zhi目mu前qianMX2體係中電催化析氫效率最接近貴金屬Pt的結果，塔菲爾斜率為33~42 mV/dec
，交換電流密度高達100~179.47 µA/cm2。該研究為金屬性MX2材料的可控製備
、精確表征和實際應用方向的開拓提供了重要的實驗依據。總之，納米尺度的金屬性MX2材料具有超高的比表麵積、豐富的邊緣活性位點、優異的導電特性、層間相對弱的範德華相互作用等優異的特性
，未來在能源的存儲和轉化領域具有非常廣闊的應用前景。

這些工作得到了中科院物理所穀林研究員、北京大學物理學院吳孝鬆研究員、國家納米中心劉新風研究員、湖北大學王喜娜教授
、北京大學工學院張青研究員、以yi及ji北bei京jing大da學xue化hua學xue與yu分fen子zi工gong程cheng學xue院yuan劉liu忠zhong範fan教jiao授shou等deng的de通tong力li合he作zuo和he支zhi持chi。該gai工gong作zuo得de到dao科ke技ji部bu重zhong點dian研yan發fa計ji劃hua，國guo家jia自zi然ran科ke學xue基ji金jin
，北bei京jing市shi科ke委wei以yi及ji清qing華hua大da學xue低di維wei量liang子zi物wu理li國guo家jia重zhong點dian實shi驗yan室shi開kai放fang基ji金jin等deng的de資zi助zhu。