【催化】通过在单层MoS2表面形成不同本征缺陷来激活其对析氢反应的催化活性

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在石油天然气等不可再生能源日益短缺的今日，氢气作为一种可再生的清洁能源而备受瞩目。目前，电解水制氢是实现大规模工业化生产氢气的重要手段。为了降低电解水制氢过程中析氢反应过电位，减少电解能耗，在电解水反应的阴极引入析氢反应催化剂是十分必要的。MoS₂纳米材料以其高稳定性与高催化活性等优点而有希望成为铂等贵金属催化剂的替代品。但对于原子级厚度的单层MoS₂, 其催化活性位只位于材料的边界，其大量的表面位却是催化惰性的，这严重制约了MoS₂纳米材料作为新一代析氢反应催化剂的大规模实际应用。

近日，东南大学物理系王金兰教授研究组首次报道了在单层MoS₂中引入不同的点缺陷和晶界都将打破MoS₂的表面惰性，从而对MoS₂表面的催化性能有不同程度的提升。他们系统地评估了16种本征缺陷（包括点缺陷和晶界）对单层MoS₂表面析氢反应催化活性的影响。计算结果显示，V_s,V_MoS3, Mo_S2 点缺陷和4|8a, S bridge，Mo-Mo bond 晶界，对于Volmer反应有着与MoS₂边界和Pt可比拟甚至更好的催化活性位点。进一步的研究表明，以上六种缺陷中，V_s，Mo_S2点缺陷和S bridge，4|8a晶界，无论在Heyrovsky或者Tafel反应机制下都有很好的催化活性。在试图理解为什么不同缺陷的催化活性不同的过程中，他们发现传统的d带理论已经无法诠释具有缺陷态的MoS₂的析氢反应催化性能的高低，从而提出了修正型的d带理论。在这一理论中他们指出，缺陷的引入使MoS₂的禁带中出现了靠近费米能级的活跃的缺陷态，正是这些缺陷态，决定了氢吸附和解吸附的难易。总而言之，该工作为提升MoS₂表面的析氢反应催化活性提出了可行性较强的新策略。

该研究成果发表后引起了广大催化析氢工作者的广泛关注，在发表当月名列Chemistry of Materials期刊“ Most Read Articles”榜单第九名。第一作者是博士生欧阳艺昕。

该研究工作得到了国家自然科学基金、江苏省自然科学基金和高等学校博士学科点专项科研基金的大力支持。

该论文作者为：Yixin Ouyang, Chongyi Ling, Qian Chen, Zilu Wang, Li Shi, Jinlan Wang

http://pubsdc3.acs.org/doi/full/10.1021/acs.chemmater.6b01395 

Activating Inert Basal Planes of MoS₂ for Hydrogen Evolution Reaction through the Formation of Different Intrinsic Defects

Chem. Mater., 2016, 28, 4390-4396, DOI: 10.1021/acs.chemmater.6b01395

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