夏興華課題組在層狀材料能帶可控設(shè)計及其增強水催化分解領(lǐng)域取得進展
氫氣是下一代清潔和可再生能源的最佳燃料。現(xiàn)有的制氫技術(shù)有化學(xué)催化裂解、光/電化學(xué)催化分解水等，其中電化學(xué)技術(shù)具有轉(zhuǎn)化效率高、綠色等優(yōu)點而被廣泛采用。目前，貴金屬鉑是電催化分解水制氫的最佳催化劑，然而其價格昂貴且資源稀少，所以尋找高催化活性的非貴金屬催化劑是當(dāng)今該領(lǐng)域的研究熱點?，F(xiàn)有研究表明，二維層狀二硫化鉬（MoS2）材料被譽為潛在的析氫反應(yīng)（HER）電催化劑。但未剝離的塊狀MoS2有著較差的電子傳導(dǎo)性和很大的HER過電勢。因此，如何提高MoS2材料對HER的電催化活性是當(dāng)前的一個重要挑戰(zhàn)。
南京大學(xué)化學(xué)化工學(xué)院夏興華課題組潛心于層狀仿生材料的設(shè)計和性能研究（NPG Asia Mater. 2017, 9, 354; J. Am. Chem. Soc. 2015, 137, 7365; Anal. Chem. 2015, 87, 5831; Nat. Commun. 2014, 5, 1）。他們提出了局域化表面等離子體共振（LSPR）增強電化學(xué)反應(yīng)的新設(shè)想，通過Au納米棒的LSPR效應(yīng)將熱電荷注入到MoS2導(dǎo)帶，增加MoS2的電荷密度，使催化劑的能級與HER能級更加匹配，降低反應(yīng)過電勢（J. Am. Chem. Soc. 2015, 137, 7365）。受此工作啟發(fā)，即增加MoS2的電荷密度有利于促進HER催化活性，近期他們利用溶劑熱法合成出鋅摻雜的片層二硫化鉬納米花結(jié)構(gòu)（Zn-MoS2）（圖1），通過過渡金屬的摻雜來提高MoS2的電荷密度。該工作以Zn-MoS2材料作為設(shè)計模型，強調(diào)材料設(shè)計要同時兼顧熱力學(xué)（能級匹配）和動力學(xué)（豐富的催化活性位點）兩方面（圖3）。鋅元素的摻雜使得MoS2與反應(yīng)底物能級更加匹配，提高了兩者之間電子交換的可能性；另一方面，摻雜后的MoS2具有更多的HER催化活性位點和導(dǎo)電性，大大增加了電子傳遞到活性位點發(fā)生化學(xué)反應(yīng)的概率?；诖嗽O(shè)計，Zn-MoS2材料對HER催化過電位降低到130 mV，Tafel斜率為51 mV/dec，轉(zhuǎn)換頻率高達15.44 s-1，超過目前報道的大部分MoS2材料（圖2）。該工作發(fā)表于《美國化學(xué)會志》（J. Am. Chem. Soc. 2017, DOI: 10.1021/jacs.7b08881），論文第一作者為16級博士生施毅同學(xué)。該工作得到國家自然科學(xué)基金面上項目（21327902, 21635004, 21675079）和國家重點研究發(fā)展規(guī)劃項目（2017YFA0206500）等支持。
圖1. Zn-MoS2片層材料的形貌表征
圖2. Zn-MoS2片層材料的電化學(xué)表征
圖3. 鋅摻雜MoS2增強HER的機理探討
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