刘如熹教授、胡淑芬教授、张合教授，JMCA 采用二硫化钼于硅光阴极制氢之最新进展与综合观点：从电子能态至电化学反应- 大数跨境

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刘如熹教授、胡淑芬教授、张合教授，JMCA 采用二硫化钼于硅光阴极制氢之最新进展与综合观点：从电子能态至电化学反应

科学材料站

2021-04-07

导读：该文章分析硅光电极材料其制氢反应之低活性与不稳定等问题，同时汇总各种策略采用二硫化钼提升其催化特性之相关研究进展。

文章信息

采用二硫化钼于硅光阴极制氢之最新进展与综合观点：从电子能态至电化学反应

第一作者：Anirudha Jena

通讯作者：刘如熹*, 胡淑芬*, 张合*

单位：台湾大学，台湾师范大学, 台北科技大学

研究背景

全球能源需求逐年攀升, 伴随大量石化燃料使用，导致过量温室气体生成，进而造成气候变迁与全球暖化，故发展绿色能源取代传统能源乃必然之趋势，其中太阳能具取之不尽与用之不竭优势，利用太阳能进行水分解反应制氢为一干净无污染之能源，适用于此反应之半导体材料中

硅由于能隙窄且导带位置较负，可吸收大量可见光波长，然自身光激发载子动能不足，使其光催化水分解效率并不理想，而二硫化钼于电化学制氢反应具良好活性，故可修饰于硅光电极且改善上述缺陷，而本综述将讨论不同策略提升二硫化钼与硅光电极材料于析氢反应之策略。

文章简介

基于此，台湾大学之刘如熹教授、台湾师范大学之胡淑芬教授与台北科技大学之张合教授进行合作，于国际知名期刊Journal of Materials Chemistry A上发表题为“Comprehensive　view on recent developments in hydrogen evolution using MoS2 on a Si photocathode: from electronic to electrochemical aspects”之粽述文章。

该文章分析硅光电极材料其制氢反应之低活性与不稳定等问题，同时汇总各种策略采用二硫化钼提升其催化特性之相关研究进展。

图1. 刘如熹教授团对过去十年间用于提升光阳极和光阴极水分解材料效能之策略。

本文要点

要点一：选用硅光电极材料进行光催化制氢

于众多半导体材料，硅因其理想之能带位置，常被选为光电阴极进行光催化制氢反应，然平面硅电极易反射入射光，使光电化学效率不佳，故先前研究引入各种形貌降低其反射率，并同时提高表面积而改善此缺点

此外，硅光阴极与电解液接触后，表面亦容易生成二氧化硅，将导致催化活性严重衰退，因此钝化层(如:二氧化钛或氧化铝)常修饰于硅电极，可降低催化期间之氧化程度，进而提高其稳定性，而光激发载子动能不足乃硅光电极材料效能低落之主因，必须修饰共催化剂解决上述问题。

要点二：二硫化钼之催化活性点位

近期许多研究采用二维层状结构做为电催化析氢触媒，其中二硫化钼因活性优异而受到高度关注，二硫化钼其基面之氢原子吸附自由能低，故不具化学反应性，而其钼边缘结构则由于适中之吸附能，乃为制氢催化反应之活性点位

此外，二硫化钼修饰于硅光电极时，可形成理想之能带界面，助于改善载子动能不足问题。

要点三：提高二硫化钼反应性之策略

于二硫化钼材料进行异原子掺杂后，不仅可提升钼边缘结构之裸露程度，亦可改变触媒对于氢原子之吸附自由能，甚至活化二硫化钼之基面

先前研究亦指出硫缺陷亦可提升其反应特性，并进而降低催化所需之过电位，此外引入异质结构界面则可改善二硫化钼之电荷分离率，使其电子-电洞对再结合机率下降。

要点四：前瞻

如何更加提升二硫化钼修饰之硅光阴极材料，引入单原子可为未来研究之一潜在方向，于催化剂材料结构中取代单原子位点，将导致其配位环境生成变化，并造成费米能阶上之部分电子分布改变，进而可调控其稳定性和催化活性

此外，表面电浆共振或许亦可用于提升催化活性，其非热能转换之载子可注入半导体之导带，且提升光电化学转化率。

文章链接

Comprehensive view on recent developments in hydrogen evolution using MoS2 on a Si photocathode: from electronic to electrochemical aspects

https://pubs.rsc.org/fa/content/articlelanding/2021/ta/d0ta10791c/unauth#!divAbstract

通讯作者介绍

刘如熹，台湾大学化学系教授，其专长主要为以材料化学核心技术为基础，发展具可应用于光转换为光、电与热之新材料，其将分别应用于光电、能源与生医。

其于1981年6月毕业于东吴大学化学系(学士)，1983年6月毕业于清华大学原子科学研究所(硕士)，1990年6月毕业于清华大学化学系(博士)。1992年6月毕业于英国剑桥大学化学系暨高温超导中心(博士)。其1983年硕士毕业后即进入工业技术研究院工业材料研究所服务至1995年，期间担任副研究员、研究员、正研究员及主任。1995年8月~1999年7月任台湾大学化学系副教授，于1999年8月~2016年6月任台湾大学化学系教授。2016年7月任台湾大学化学系特聘教授至今。

1989年获台湾青年奖章及工研院科技成果个人贡献奖，1995年获台湾第四届发明银牌个人奖， 1998年获杰出青年化学奖章， 2011年获第九届有庠科技奖(科技论文绿色科技类) ， 2013与2018年分别获科技部杰出研究奖。2015年获国际IUPAC & NMS于新颖材料与合成之杰出研究奖。2017年获中山学术论文奖。1989年获台湾青年奖章及工研院科技成果个人贡献奖，1995年获台湾第四届发明银牌个人奖， 1998年获杰出青年化学奖章， 2011年获第九届有庠科技奖(科技论文绿色科技类) ， 2013与2018年分别获科技部杰出研究奖。2015年获国际IUPAC & NMS于新颖材料与合成之杰出研究奖。2017年获中山学术论文奖。2018年、2019年与2020年被科睿唯安(Clarivate Analytics)获选为跨领域全球高被引学者（Highly Cited Researchers）。2018年获「侯金堆杰出荣誉奖」(基础科学：数理)。2019年获「有庠科技讲座」(绿色科技)及东元奖(化工/材料科技领域)。2020年获教育部学术奖与化学会学术奖章。至今论文发表于已发表580篇英文论文于国际期刊，被引用总次数达21,801次，h-index为75。获得专利200余件。

个人网页: http://www.ch.ntu.edu.tw/faculty_en/rsliu-e.html

课题组介绍

本课题组之发展策略为应用导向之基础学术研究，主要以材料化学核心技术（配方与合成、分析与应用）为基础，发展各种绿能相关材料，其可应用于光转换为光、电与热，将分别应用于发光二极管、水分解与生医热疗。实验室之发展方针为科技管理导向之标准化。组织分为二组，分别为荧光纳米生化组及能源组。各组设组长及副组长，主要掌管行政相关事务。其中各组依课题不同，分有次组（sub-group），亦设有次组组长，主要掌管成员之科研进度。每周各组由组长或次组组长带领讨论他人已发表之文章、个人研究进度报告及仪器原理介绍，此将奠定彼此合作之研究默契。此外整体研究透过周报、月报、季报及半年度考核制度，使成员均能准时完成其学业，并达“ 学习时间与知识管理及材料化学核心技术使成为优秀科技人才” 之愿景（vision）。