东南大学刘磊教授课题组Small：可控MoS2纳米管助力Pt原子实现高效电催化析氢- 大数跨境

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东南大学刘磊教授课题组Small：可控MoS2纳米管助力Pt原子实现高效电催化析氢

科学材料站

2022-03-11

导读：该文章通过原子层沉积（ALD）技术可控制备了不同管径和壁厚的MoS2纳米管，实验和理论研究表明MoS2纳米管比二维MoS2纳米片更合适作为Pt原子的载体用于电催化析氢。

文章信息

Pt原子负载在原子层沉积制备的MoS₂纳米管用作有效的析氢反应

第一作者：焦松龙

通讯作者：刘磊*

单位：东南大学

研究背景

铂(Pt)因为其与氢的最佳结合能力，仍被认为是最优的电催化析氢催化剂。然而，Pt的高成本和稀缺性阻碍了其大规模应用。Pt原子催化剂提供了一种有效的方法来减少用量，同时保持其高内在活性。然而，Pt原子由于其高表面能而容易聚集，因此有必要找寻一种使Pt原子孤立的载体。并且Pt和载体的耦合作用，可以改善催化剂的电子结构，从而提高本征活性。

二硫化钼（MoS₂）作为在电催化领域广泛研究的过渡金属硫属化合物（TMDs）代表，越来越多的人关注使用二维MoS₂作为负载Pt原子的载体。与二维MoS₂纳米片相比，MoS₂纳米管阵列具有更高的比表面积，可防止Pt原子聚集，有潜力成为更优良的载体。

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文章简介

基于此，东南大学的刘磊教授课题组在国际知名期刊Small上发表题为“Pt Atom on the Wall of Atomic Layer Deposition (ALD)-Made MoS2 Nanotubes for Efficient Hydrogen Evolution”的文章。该文章通过原子层沉积（ALD）技术可控制备了不同管径和壁厚的MoS₂纳米管，实验和理论研究表明MoS₂纳米管比二维MoS₂纳米片更合适作为Pt原子的载体用于电催化析氢。

图1. Pt/MoS₂纳米管用作电催化析氢示意图。

本文要点

要点一：催化剂制备

首先使用ALD技术在AAO模板上，沉积厚度可控的MoS₂薄膜；之后，AAO模板被刻蚀后会形成MoS₂纳米管阵列；最后，在氯铂酸中通过一步光热反应将Pt原子负载在MoS₂纳米管阵列上。通过控制ALD的循环次数，成功获得了具有不同超薄壁厚（<10层）的MoS₂纳米管。高角度环形暗场扫描透射电子显微镜（HAADF-STEM）证明了Pt原子均匀分散在MoS₂纳米管管壁上。

图2. Pt/MoS₂纳米管阵列制备示意图及形貌表征。

要点二：电催化析氢性能

30个ALD循环制备的MoS₂纳米管的壁厚最有利于析氢。Pt负载在平面MoS₂和管状MoS₂的过电势分别为89和32 mV，超过了商业的20 wt.% Pt/C（41 mV）。同时，Pt原子引入后形成更多的活性中心，Tafel 斜率从105显着降低到35 mV dec^–1。还研究了MoS₂纳米管的不同直径（30、70、100、200和300 nm）对HER性能的影响，结果表明管径为70 nm的MoS₂纳米管是最佳的，这是因为直径过小的纳米管不利于形成单原子Pt掺杂，而直径过大的纳米管会降低催化剂的比表面积。

图3. 催化剂的析氢性能。

要点三：理论计算

在密度泛函理论（DFT）计算中，对比研究了Pt 掺杂在平面的MoS₂和管状的MoS₂的催化性能。MoS₂纳米管具有比平面MoS₂更低的形成能，说明其更容易产生缺陷，， Pt原子更易占据管状MoS₂上的位点。并且Pt原子占据Mo空位的情况下，其吉布斯自由能接近于零(-0.055 eV)。Pt/MoS₂纳米管的优异电催化性能是由Pt原子和MoS₂中的S协同导致的。

图4. 基于DFT计算分析Pt掺杂对平面MoS₂和管状MoS₂催化性能的影响。

要点四：前瞻

（1）使用管状而非平面MoS₂作为Pt原子载体的策略为提高电催化析氢性能提供了一种有效的方法。

（2）通过原子层沉积辅助牺牲AAO模板策略可控制备MoS₂纳米管具有一定的通用性，该技术可以推广到制备其它过渡金属硫族化合物的管状结构。

（3）MoS₂纳米管与MoS₂纳米片相比，还有诸多应用潜力待挖掘，例如场效应管、光电化学。

文章链接

Pt Atom on the Wall of Atomic Layer Deposition (ALD)-Made MoS₂ Nanotubes for Efficient Hydrogen Evolution

https://doi.org/10.1002/smll.202105129.

通讯作者简介

刘磊教授东南大学教授、博士生导师，国家优青获得者。

1998年-2007年在中国科学技术大学完成本、硕、博学习，之后进入东南大学从事教学科研工作。近年来先后主持或完成国家自然科学基金 5 项（含重点项目1项、优秀青年科学基金1项）、江苏省杰出青年科学基金1项、国际科学基金（IFS）2项、973计划子课题1项，其他科研项目18项。以第一作者/通讯作者在 Advanced Functional Materials、Advanced Science、Small、Biosensors & Bioelectronics、Advanced Optical Materials、ACS Applied Materials & Interfaces、Sensors and Actuators B: Chemical、Science China-Materials、Science China-Technological Sciences 等国内外核心期刊发表SCI论文71篇，申请发明专利61件，已经授权26件，受邀担任多个顶尖杂志编委或审稿人。

2021年度和2019年度东南大学青年首席教授；2018年度国家优秀青年科学基金获得者；2017年度江苏省杰出青年科学基金获得者；2017年度江苏省“六大人才高峰”高层次人才（A类）；2016年度江苏省高校“青蓝工程”中青年学术带头人；2012年度江苏省高校“青蓝工程”优秀青年骨干教师。