第一作者：Zhenyu Shi, Xiao Zhang, Xiaoqian Lin, Guigao Liu, Chongyi Ling, Shibo Xi
通讯作者：张华，Anthony R. J. Kucernak
通讯单位：香港城市大学，帝国理工学院
论文DOI：https://doi.org/10.1038/s41586-023-06339-3
晶相是决定二维过渡金属二硫属化物 (TMD) 性能和功能的关键因素。TMD 材料可适用于多种应用，并通常用作构建纳米材料和负载金属催化剂的模板。然而，关于 TMD 晶相如何影响二次材料的生长知之甚少，尽管这对于催化剂的开发非常重要。二维MoS2 纳米片上的 Pt 纳米颗粒可用作析氢反应的电催化剂。但是，只有约三分之二的 Pt 纳米颗粒会外延生长在MoS2 模板上。该模板由金属/半金属 1T/1T' 相组成，但是会混有热力学稳定且导电性差的 2H 相。
在本研究中，作者报道了高相纯度的 MoS2 纳米片的生产，并表明 2H 相模板有利于 Pt 纳米粒子的外延生长，而 1T' 相可以负载单原子级分散的 Pt (s- Pt) 原子，Pt 负载量高达 10 wt%。研究发现该 s-Pt/1T'-MoS2 系统中的 Pt 原子占据三个不同的位点，密度泛函理论计算表明，位于 Mo 原子顶部的 Pt 原子的氢吸附自由能接近于零。这可能有助于在酸性介质中有效地电催化析氢，所测量的 s-Pt/1T'-MoS2 的质量活性为 85 ± 23 A mgPt−1，过电势为 -50 mV，质量归一化交换电流密度为 127 A mgPt−1。在室温 H 型电池和原型质子交换膜电解槽中，该催化剂的性能非常稳定。尽管相稳定性限制阻碍了在高温下的运行，但作者预计 1T'-TMD 也将成为针对其他重要反应的催化剂的有效载体。
图1. 剥离 1T'-MoS2 NS 的制备和表征。a，通过电化学插层（步骤1）和随后的剥离（步骤2）从KxMoS2晶体制备1T'-MoS2 NS的示意图。剥离的 1T'-MoS2NSs 的 TEM (b) 和原子力显微镜 (AFM) (c)图像。c，1T'-MoS2 NSs 的高度剖面和测量厚度（插图）。d，AFM测量的1T'-MoS2NSs的厚度分布直方图（1.4 nm为平均厚度，0.4 nm为s.d.）。e，典型 1T′-MoS2NS 的 HAADF-STEM 图像。插图中显示了相应的快速傅里叶变换模式。f，剥离的1T'-MoS2 NS和2H-MoS2 NS的XPS谱。空点和实线分别代表实验XPS数据和相应的解卷积光谱。g，剥离的1T'-MoS2 NS和2H-MoS2 NS的拉曼光谱。a.u.，任意单位。
图2. s-Pt/1T′-MoS2 的结构表征。a，s-Pt/1T'-MoS2的TEM图像。相应的 SAED 图案如插图所示。b，s-Pt/1T'-MoS2 的 STEM 图像和相应的 EDS 元素mapping图。c，s-Pt/1T'-MoS2 的原子级分辨率 HAADF-STEM 图像，显示了孤立的 Pt 原子分散在 1T'-MoS2 NS 上。白色虚线矩形包含了三种单原子分散的Pt，分别表示为 Ptsub、Ptads-S和 Ptads-Mo。Ptsub(d)、Ptads-S (e) 和 Ptads-Mo(f) 的模拟原子结构 (d(i)–f(i))、相应的STEM 图像 (d(ii)–f(ii)) 和强度分布(d(iii)–f(iii))。d(i)–f(i) 中的黄色、蓝色和红色球分别代表 S、Mo 和 Pt 原子。d(iii)–f(iii) 中模拟强度分布的虚线取自 STEM 图像 (d(ii)–f(ii)) 中相应的白色虚线矩形。d(iii)–f(iii) 中实验强度分布的直方图取自 c 中相应的白色虚线矩形。
图3. s-Pt/1T′-MoS2 的电子结构表征。a,b，s-Pt/1T'-MoS2、商用 PtS2 粉末、Pt NPs/2H-MoS2 和 Pt 箔的 Pt L3-edge XANES (a) 和傅里叶变换EXAFS 光谱 (b)。FT，傅里叶变换。c,d，s-Pt/1T'-MoS2 和 Pt NPs/2H-MoS2 的 Pt 4f (c) 和 Mo 3d XPS 谱 (d)。c 和 d 中的空心点和曲线分别显示实验 XPS 数据和相应的解卷积光谱。
图4. 电催化 HER 的测量。a，浮动电极装置示意图。b，s-Pt/1T'-MoS2 (E1) 和 HiSPEC 9100 Pt/C (E2) 的 HER 极化曲线。插图显示了 s-Pt/1T'-MoS2 的循环伏安图。c，s-Pt/1T'-MoS2 (E1) 和 HiSPEC 9100 Pt/C (E2) 的 HER 极化曲线，显示了质量归一化电流密度 (jmass,Pt)。d，s-Pt/1T'-MoS2 和 HiSPEC 9100 Pt/C 与先前报道的Pt基电催化剂在 -50 mV（η = −50 mV）过电势下的质量活性比较。e，在对数电流刻度上绘制的 s-Pt/1T′-MoS2 的质量活性和相应的拟合结果。f，在对数电流刻度上绘制的 HiSPEC 9100 Pt/C 的质量活性和相应的拟合结果。g，s-Pt/1T'-MoS2 和 HiSPEC 9100 Pt/C 的 j0,mass与之前报道的通过不同技术测量的电催化剂的比较。HER 测量在 H2 (101kPa) 和 298K 的 1 M HClO4 中进行，扫描速率为 20 mV s−1。请注意，对于 s-Pt/1T'-MoS2，浮动电极上的 Pt 负载量为 533 ± 118 ngPt cm−2，对于HiSPEC 9100 Pt/C，浮动电极上的 Pt 负载量为563 ± 273 ngPt cm−2。CE，对电极；FE，浮动电极；GCE，玻碳电极；PCTE，聚碳酸酯径迹蚀刻；RDE，旋转圆盘电极；RE，参比电极；RHE，可逆氢电极；特氟龙 AF、特氟龙 AF 2400（杜邦）；WE，工作电极。
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