华中科技大学翟天佑、刘友文团队以及安徽师范大学卢宁团队， Angew: 具有缺陷位点和垂直传导双重调控效应的螺旋纳米片助- 大数跨境

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华中科技大学翟天佑、刘友文团队以及安徽师范大学卢宁团队， Angew: 具有缺陷位点和垂直传导双重调控效应的螺旋纳米片助

科学材料站

2021-12-11

导读：该文章提出螺旋纳米片结构模型实现对缺陷位点和垂直传导的双重调控。

文章信息

具有缺陷位点和垂直传导双重调控效应的螺旋纳米片助力电催化析氢

第一作者：童希鹏

通讯作者：刘友文*，卢宁*，翟天佑*

单位：华中科技大学，安徽师范大学

研究背景

二维过渡金属硫族化合物（TMDCs）作为有前景的非贵金属HER催化剂之一，已引起科研界的广泛关注。然而，理论和实验均表明TMDCs的电化学活性位点主要分布在边缘而基平面却表现出电化学惰性。

此外，由于其本征的范德瓦尔斯层间结构，电子在TMDCs中的层间跃迁总是受到限制，因此显示出较低的垂直传导性。在TMDCs中同时优化这两点限制是具有挑战性而又意义深刻的。

文章简介

鉴于此，来自华中科技大学的刘友文与翟天佑教授团队，在国际知名期刊Angew. Chem. Int. Ed. 上发表题为 “Dual-Regulation of Defect Sites and Vertical Conduction by Spiral Domain for Electrocatalytic Hydrogen Evolution” 的文章。

该文章提出螺旋纳米片结构模型实现对缺陷位点和垂直传导的双重调控。通过化学气相沉积成功合成出新构型的二维MoTe₂螺旋纳米片，螺旋的外延生长方式带来丰富的的台阶边缘，靠近边缘的区域更容易形成Te空位作为额外的活性位点。

同时，连接相邻原子层的连续位错线以螺旋状路径传输电流从而增强垂直传导。对缺陷位点和垂直传导双重调控的MoTe₂螺旋域在单片器件中表现出优异的电催化析氢（HER）性能。该工作开发了一个新的结构模型，突破了TMDCs用于HER的本征限制，并有望为这类奇特的微结构开辟用于惰性催化反应的多种可能性。

图1. MoTe2螺旋域单片器件及其双重调控机制示意图

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本文要点

要点一：空位空间分布的揭示与实现

MoTe2螺旋域在化学气相沉积过程中通过螺位错外延生长从而形成丰富的边缘台阶。通过理论计算发现，台阶边缘区域的Te空位相较于远离边缘区域贡献了更低的ΔGH*。高分辨透射电子显微镜图像可直接观察到主要分布在边缘台阶区域附近的丰富的Te空位，可作为额外的HER活性位点。

此外，MoTe₂螺旋相较于层状样品具有更高的表面电势，有利于电子向质子氢的转移从而促进HER过程。

图2. MoTe2螺旋域中Te空位的空间分布及两种MoTe2样品的功函数

要点二：对TMDCs垂直传导的增强

通过导电原子力显微镜，作者发现在同样的偏压下，MoTe₂螺旋在30 nm内的不同高度下均保持一致的垂直电流，而MoTe₂层状样品则表现出垂直电流对厚度的强烈依赖，在仅15 nm高度处即表现为不导通状态。

对比之下，作者确认范德瓦尔斯层状材料的螺结构可以通过连续的位错线以螺旋状路径传输电流，实现增强的垂直传导，从而改善了电子从催化剂负载到TMDCs催化剂再到吸附中间物的迁移。

图3. MoTe2螺旋和层状样品的形貌和垂直电流

要点三：搭建单片电催化器件实现对单个螺旋结构电催化性能的探测

通过微纳加工平台，搭建单片电催化器件实现对单个螺旋结构电催化性能的探测。得益于活性位点与垂直导电性的双重调控，螺旋结构MoTe₂的析氢极化电流相对于机械剥离样品大幅提高了两个数量级。

图4. MoTe2螺旋和层状样品的电催化性能

文章链接

Dual-Regulation of Defect Sites and Vertical Conduction by Spiral Domain for Electrocatalytic Hydrogen Evolution

https://onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1002/anie.202112953

通讯作者简介

刘友文副教授博士生导师

2012年本科毕业于中国地质大学（武汉），2017年博士毕业于中国科学技术大学（导师：谢毅教授，肖翀教授）主要研究方向在于二维电催化材料的表界面化学。以（共同）第一或通讯作者在Chem. Soc. Rev. (1), J. Am. Chem. Soc. (3), Angew. Chem. Int. Ed. (5), CCS Chem. (1), Chem (1), Adv. Mater. (1), Adv. Energy. Mater. (4) 和ACS Nano (2)等上发表论文26篇，IF＞10论文20篇，5篇论文Highly Cited Papers，总引用次数1900余次。并获得中科院院长优秀奖等奖励。邀请报告10次，受邀讲学2次。

卢宁副教授博士生导师

2007年本科毕业于安徽师范大学，2012年博士毕业于中国科学技术大学（导师：李震宇教授）。主要研究方向为材料计算模拟。以（共同）第一/通讯作者在 Angew. Chem. Int. Ed., J. Phys. Chem. Lett., Nanoscale等主流杂志上发表论文20余篇，2篇论文两篇获ESI前1%的高被引论文，总引用次数1900余次，h-index为14。

翟天佑教授副主任

2003年本科毕业于郑州大学化学系，2008年博士毕业于中国科学院化学研究所（导师：姚建年院士），2008-2012年在日本物质材料研究所先后任JSPS博士后（合作导师: Yoshio Bando教授）和ICYS研究员，2013年加入华中科技大学工作。主要从事二维光电材料与器件方面的研究工作，以第一/通讯作者在Chem. Soc. Rev. (4), Adv. Mater. (26), Adv. Funct. Mater. (37), Nat. Commun. (3), J. Am. Chem. Soc. (2), Angew. Chem. Int. Ed. (4) 等期刊上发表SCI论文200余篇（125篇IF>10），所有论文SCI引用>20000次，H指数76，2015/2018/2019/2020年四次入选全球高被引科学家，是万人计划科技创新领军人才、国家杰出青年科学基金、国家优秀青年科学基金、湖北省创新群体资助对象，曾获国家自然科学二等奖（5/5）、英国皇家化学会会士、中国化学会青年化学奖和湖北青年五四奖章等。现任《InfoMat》副主编，《科学通报》、《高等学校化学学报》、《无机材料学报》等7个期刊编委，兼任中国硅酸盐学会青年工作委员会副主任委员、中国材料研究学会青年工作委员会理事等。