催化前沿每周精选丨1007-1013

纳米人

2019-10-16

1. 莱斯大学Science：使用固体电解质直接电合成高达20％的纯H₂O₂水溶液

过氧化氢（H₂O₂）合成通常需要大量的后反应纯化。莱斯大学Haotian Wang团队报道了一种直接电合成策略，该策略将氢气（H₂）和氧气（O₂）分别输送到由多孔固体电解质隔开的阳极和阴极，其中电化学生成的H⁺和HO₂^-重组形成纯H₂O₂水溶液。

通过优化功能性炭黑催化剂以减少两电子氧，在高达200 mA/cm²的电流密度下实现了对纯H₂O₂的> 90％的选择性，这表示H₂O₂生产率为3.4毫摩尔/平方厘米/小时（3660摩尔） 每公斤催化剂每小时）。 通过调节通过固体电解质的水流速，可以获得高达20％（重量）的浓度范围的纯H₂O₂溶液，并且催化剂在100小时内保持了活性和选择性。

Direct electrosynthesis of pure aqueous H₂O₂ solutions up to 20% by weight using a solid electrolyte, Science, 2019,

DOI: 10.1126/science.aay1844

https://science.sciencemag.org/content/366/6462/226

2. Nat. Nanotech.：在Cu和Cu串联电催化剂上电还原CO₂-CO共进料过程中提高乙烯收率的反应机理

与提高能源效率和选择性的挑战不同，不纯或故意混合的CO₂原料对直接电化学CO₂还原反应（CO₂RR）的催化反应活性的动力学影响研究还很少。鉴于工业CO₂进料经常被CO污染，因此有必要在CO₂/CO共进料条件下对CO₂RR进行更深入的研究。近日，柏林工业大学Peter Strasser 等报道了基于铜的纳米催化剂上的CO₂/CO共进料的CO₂RR反应性的机理研究。

动力学同位素标记实验（在具有毫秒级时间分辨率的操作差分电化学质谱毛细管流动池中进行）表明，C₂H₄的产量出乎意料地提高，通过交叉偶联的¹²CO₂-¹³CO反应路径增加了近50％的产率。实验表明，在反应物特异性位点的反应表面上，CO₂和CO分子之间不存在位点竞争。金属/非金属掺杂Cu/Ni-N的碳串联催化剂证明了在CO₂消耗时持续局部界面CO分压的实际意义。该工作在共同进料条件下改善了C₂产物形成的机理，使不纯的CO₂/CO进料用于H₂O/CO₂电解槽成为了可能。

Xingli Wang, Jorge Ferreira de Araújo, Peter Strasser*, et al. Mechanistic reaction pathways of enhanced ethylene yields during electroreduction of CO₂–CO co-feeds on Cu and Cu-tandem electrocatalysts. Nat. Nanotech., 2019

DOI: 10.1038/s41565-019-0551-6

https://www.nature.com/articles/s41565-019-0551-6

3. Nat. Catal.：通过operando扫描隧道显微镜观察到费托催化剂的活性位点

在多相催化中，直接鉴定催化剂的活性位点仍然是一个主要问题。近日，慕尼黑大学Joost Wintterlin团队报道了利用operando扫描隧道显微镜观测到钴催化的费托合成反应的活性位点的研究。作者在H₂/CO气体混合物，压力为950 mbar，温度约为500K的条件下，对Co（0001）样品进行了实验。

作者在相同的设备上，使用定制的气相色谱仪测量TOF；并通过溅射改变样品的单原子台阶密度。研究发现，费托反应活性随台阶密度而定，从而作者认为台阶为该反应的活性位点。此外，Co催化剂的活化与表面的粗糙化有关这一长期观念尚未得到证实，反应过程中并没有观察到表面变粗糙。

Bernhard Böller, Joost Wintterlin,* et al. The active sites of a working Fischer–Tropsch catalyst revealed by operando scanning tunnelling microscopy. Nat. Catal., 2019

DOI: 10.1038/s41929-019-0360-1

https://www.nature.com/articles/s41929-019-0360-1

4. Nat. Mater.：光电化学中的纳米半导体/催化剂界面

在光电化学装置中使用的半导体结构（例如，薄膜，金属丝，颗粒）通常用纳米颗粒修饰，这些纳米颗粒催化燃料形成反应，包括水氧化，析氢或二氧化碳还原。为了获得高性能，纳米粒子催化剂必须与下面的吸光半导体形成电荷-载流子选择性接触，在阻止相反的载流子收集的同时，促进空穴或电子转移。尽管此类选择性接触在光电化学能量转换和存储中起着关键作用，但对底层纳米级界面的了解却很少，因为直接测量其性质非常困难，尤其是在操作条件下。

近日，俄勒冈大学Shannon W. Boettcher等使用n-Si/Ni光阳极模型系统和电势传感原子力显微镜，测量了界面电子转移过程，并绘制了在纳米半导体/催化剂界面上光电化学析氧过程中产生的光电压。作者发现在器件运作过程中，当周围的高势垒区域开发时，通过纳米级尺寸相关的夹断效应，可以增强低肖特基势垒n-Si/Ni接触孔的选择性。该工作证明了在实际的光电化学条件下进行接触性能的纳米级操作测量的能力，以及控制电子和空穴流经半导体/催化剂结的流量的设计原理，该原理与不同的光电化学装置相关。

Forrest A. L. Laskowski, Shannon W. Boettcher*, et al. Nanoscale semiconductor/catalyst interfaces in photoelectrochemistry. Nat. Mater., 2019

DOI: 10.1038/s41563-019-0488-z

https://www.nature.com/articles/s41563-019-0488-z

5. 杨培东Chem. Rev.：纳米粒子催化中的表面和界面控制

非均相催化剂的表面和界面对其性能至关重要，因为它们通常被认为是催化反应的活性中心。随着纳米科学的发展，调节纳米结构的表面和界面的能力为开发和优化多相催化剂提供了一种通用的方法。近日，加州大学伯克利分校杨培东等总结了氧还原反应（ORR），电化学CO₂还原反应（CO₂RR）和串联催化纳米颗粒催化剂的表面和界面控制。

在第一部分中，作者从ORR在纳米级表面上的活性开始，然后集中介绍了优化Pt基催化剂性能的方法，包括合金化，核壳结构和高表面积开放结构。对于CO₂RR，其催化剂的表面组成起主要作用，作者介绍了其反应基础和不同纳米金属催化剂的性能。对于串联催化，其单个纳米结构中的相邻催化界面催化顺序反应，作者描述了其概念和原理，催化剂合成方法以及在不同反应中的应用。

Chenlu Xie, Zhiqiang Niu, Dohyung Kim, Mufan Li, Peidong Yang*, et al. Surface and Interface Control in Nanoparticle Catalysis. Chem. Rev., 2019

DOI: 10.1021/acs.chemrev.9b00220

https://pubs.acs.org/doi/abs/10.1021/acs.chemrev.9b00220

6. Chem. Rev.: 碳载体催化剂中载体效应的理论和实验研究进展

载体通过将自身定位为大分子配体，在负载型金属催化剂中起着重要的作用，它决定了活性位点的性质，间接地但有时也直接地促进了反应活性。金属物种如纳米粒子、团簇或单个原子可以沉积在碳材料上，用于各种催化反应。所有用作催化剂载体的碳材料构成了一个大家族的化合物，这些化合物可以在结构和结构层面上发生变化。今天，良好的合成方法、先进的表征技术和建模工具的最新发展使人们能够在分子水平上构建金属/载体/反应物之间的关系。

近日，图卢兹大学Iann C. Gerber教授和Philippe Serp教授合作综述了碳载体催化剂中载体效应的理论和实验研究进展，从理论和实验研究两方面分析了如何以及为什么将金属纳米颗粒、团簇或单原子锚定在碳材料上用于催化，探讨了碳载体表面有哪些位置可以用来锚定活性相，描述了一些重要的催化作用中炭载体发挥的作用，如金属载体相互作用，限制溢出，和表面官能团效应，评论了在热催化、电催化或光催化等多种反应中得到的催化结果。

Iann C. Gerber, Philippe Serp. A Theory/Experience Description of Support Effects in Carbon-Supported Catalysts. Chemical Reviews, 2019.

DOI: 10.1021/acs.chemrev.9b00209

https://doi.org/10.1021/acs.chemrev.9b00209

7. Chem. Soc. Rev.：CO₂催化还原的表面策略：从二维材料到纳米团簇再到单原子

氧化还原催化，包括光催化和（光）电催化，可以去除大气中过量的CO₂并将其转化为增值品来缓解全球变暖问题和能源危机。纳米到原子的二维（2D）材料，团簇和单原子是出色的催化剂，它们具有可加工的超薄/小尺寸和大表面积，引起了全世界的研究兴趣。然而，目前CO₂催化还原的研究和应用之间还存在差距。

近日，澳大利亚国立大学Zongyou Yin，上海交通大学Jianbo Wu，阿德莱德大学Shizhang Qiao等系统地和建设性地讨论了迄今为止报道的CO₂还原催化剂的纳米到原子表面策略。该工作有利于推动表面策略设计高选择性、高活性、高稳定性的CO₂还原催化剂的发展，从而为气候变化，能源和环境问题的可持续解决方案开辟新途径。

Liming Wang, Shizhang Qiao,* Jianbo Wu*, Zongyou Yin,* et, al. Surface strategies for catalytic CO₂ reduction: from two-dimensional materials to nanoclusters to single atoms. Chem. Soc. Rev., 2019

DOI: 10.1039/c9cs00163h

https://pubs.rsc.org/en/content/articlelanding/2019/cs/c9cs00163h#!divAbstract

8. 张铁锐Nat. Commun.：通用的大规模合成过渡金属单原子催化剂的方法

金属单原子催化剂由于其出色的活性和稳定性而受到关注。然而，金属单原子催化剂大规模合成的通用策略尚未见报道。近日，中科院理化所张铁锐等报告了一种通用的合成策略，该策略可以合成包含Cr，Mn，Fe，Co，Ni，Cu，Zn，Ru，Pt或它们的组合的过渡金属单原子催化剂。

球差校正高角度环形暗场扫描透射电子显微镜和扩展X射线吸收精细结构光谱表征表明，过渡金属原子均匀地分散在炭黑载体上。该合成方法可以大量生产金属负载量大的碳载金属单原子催化剂（> 1 kg规模）。所合成的Ni单原子催化剂在将二氧化碳电化学还原为一氧化碳方面表现出出色的活性，法拉第效率可达98.9％（-1.2 V）。

Hongzhou Yang, Lu Shang, Tierui Zhang*, et al. A universal ligand mediated method for large scale synthesis of transition metal single atom catalysts. Nat. Commun., 2019

DOI: 10.1038/s41467-019-12510-0

https://www.nature.com/articles/s41467-019-12510-0

9. JACS：n型铅钛氧氟化物阳极上的太阳能驱动光电化学水氧化

混合阴离子化合物（例如，氧氮化物和氧硫化物）是可见光水氧化的光阳极的潜在候选物，但其遭受光生空穴的氧化降解，导致稳定性低的问题。近日，东京工业大学Kazuhiko Maeda等报道了一个稳定的混合阴离子水氧化光阳极，该阳极由带隙约为2.4 eV的氟氧化物Pb₂Ti₂O_5.4F_1.2组成。将Pb₂Ti₂O_5.4F_1.2颗粒涂覆在透明导电玻璃（FTO）载体上并进行TiO₂覆盖层的后沉积，在Pb₂Ti₂O_5.4F_1.2带隙光激发时产生阳极光电流（λ< 520 nm）的光电流起始电位约为–0.6 V vs. NHE，与电解液的pH无关。

实验发现，即使没有负载水氧化促进剂（例如CoO_x），也可以观察到稳定的光阳极电流，若将CoO_x负载到TiO₂/Pb₂Ti₂O_5.4F_1.2/FTO电极上可将阳极光响应提高2-3倍。在AM1.5G模拟阳光（100 mW cm^–2），施加的电势小于1.23 V的情况下，使用优化的Pb₂Ti₂O_5.4F_1.2光阳极可实现稳定的水氧化产O₂，法拉第效率为93％，且在运行4小时后几乎没有失活的迹象。

Naoki Hirayama, Kazuhiko Maeda,* et al. Solar-Driven Photoelectrochemical Water Oxidation over an n-Type Lead-Titanium Oxyfluoride Anode. J. Am. Chem. Soc., 2019

DOI: 10.1021/jacs.9b06570

https://pubs.acs.org/doi/10.1021/jacs.9b06570

10. 厦门大学JACS：金属有机层上[吡啶鎓-CO₂-Co]加合物的协同稳定作用增强电催化CO₂RR性能

吡啶鎓是金属和半导体电极上电化学CO₂还原的助催化剂，但其确切作用一直难以阐明。近日，厦门大学汪骋等在金属有机层（MOL）上创建了钴-原卟啉（CoPP）和吡啶鎓（pyH⁺）催化位点，用于电催化CO₂还原反应（CO₂RR）。该材料由[Hf₆(µ₃-O)₄(µ₃-OH)₄(HCO₂)₆]二级结构单元（SBU）和基于吡啶的三羧酸酯配体构建而成，MOL与含有甲酸封端基团的CoPP通过羧酸酯交换后合成功能化。

CoPP基团和MOL上的吡啶鎓（pyH⁺）部分通过形[pyH⁺-O₂C-CoPP]加合物来共活化CO₂，这可增强CO₂RR并抑制析氢，从而具有CO/H₂为11.8的高选择性。[pyH⁺-O₂C-CoPP]中间体的协同稳定作用使得在-0.86 V_RHE下产生CO的催化电流密度为1314 mA/mg_Co，对应的TOF为0.4 s^-1。

Ying Guo, Wenjie Shi, Cheng Wang*, et al. Cooperative Stabilization of the [Pyridinium-CO₂-Co] Adduct on a Metal–Organic Layer Enhances Electrocatalytic CO₂ Reduction. J. Am. Chem. Soc., 2019

DOI: 10.1021/jacs.9b09227

https://pubs.acs.org/doi/10.1021/jacs.9b09227

11. Angew：通过黑磷快速活化铂实现高效析氢

调节金属催化剂的电子结构是优化电催化活性的有效方法。近日，中科院深圳先进院先进材料科学与工程研究所Xue-Feng Yu等研究发现黑磷（BP）具有惊人的提高铂（Pt）催化剂活性的作用。BP可以有效且快速地调节Pt的表面电子结构，大大增强Pt析氢反应（HER）中催化活性。BP和Pt之间的独特负结合能导致Pt-P键的自发形成，对Pt纳米颗粒产生强大的配体协同作用，但在红磷上不能形成Pt-P键。

理论和实验研究表明，Pt-P键改变了Pt的固有电子结构和氢吸附自由能。通过控制Pt-P键的数量，可BP活化的Pt催化剂的HER活性提高3.5倍，该活性是最新商业Pt/C催化剂的6.1倍。在1 M KOH中，过电势为70 mV的条件下，BP活化的1μg的Pt催化剂的电流密度可达82.89 mA cm^-2，优于文献中最先进的催化剂。该工作通过利用BP独特的活化作用来操纵Pt催化剂电子结构，为合成用于各种催化反应和应用的高效Pt基催化剂提供了新的策略。

Xin Wang, Xue-Feng Yu*, et al. Rapid Activation of Platinum via Black Phosphorus for Efficient Hydrogen Evolution. Angew. Chem. Int. Ed., 2019

DOI: 10.1002/anie.201911696

https://onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1002/anie.201911696

12. 冯新亮Angew：拓扑化学策略合成二维过渡金属磷化物

过渡金属磷化物（TMP）是一类重要的窄间隙半导体和电催化剂。但是，它们是固有的非分层材料，无法分层为二维（2D）薄片。近日，德累斯顿工业大学冯新亮等报道了一种自下而上的拓扑化学策略，使用磷片作为磷前体和2D模板来合成一系列2D TMP（例如Co₂P，Ni₁₂P₅和Co_xFe_2-xP）。

值得注意的是，二维Co₂P用作p型半导体，在300 K的场效应晶体管中显示出20.8 cm²V^-1s^-1的空穴迁移率。由于电荷传输性能得到调整和改进的表面暴露，Co₂P还可以作为析氧反应（OER）电催化剂。此外，铁掺杂的Co₂P（即Co_1.5Fe_0.5P）达到10 mA cm^-2的电流密度，过电势仅278 mV，其性能超过了商用Ir/C基准催化剂（304 mV）。

Sheng Yang, Guangbo Chen, Antonio Gaetano Ricciardulli, Panpan Zhang, Xinliang Feng,* et al. Topochemical Synthesis of Two‐Dimensional Transition Metal Phosphides Using Phosphorene Templates. Angew. Chem. Int. Ed., 2019

DOI: 10.1002/anie.201911428

https://onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1002/anie.201911428

13. 楼雄文AM：揭示N掺杂碳基上负载的孤立Ni原子电催化析氧反应的活性起源

探索用于析氧反应（OER）的高效电催化剂并揭示其活性来源对于能量转换技术至关重要。近日，新加坡南洋理工大学楼雄文等报道了一种Ni位点原子级分布在N掺杂空心碳基体上的在碱性条件下高效OER的电催化剂。

实验发现，优化活性Ni位点配位几何构型，可以观察到活性显着增强。X射线吸收光谱研究和DFT计算结果表明，通过Ni-N配位进行有效的电子偶联可以降低费米能级并降低中间体的吸附能，从而促进了OER动力学。

Huabin Zhang, Xiong Wen (David) Lou*, et al. Unveiling the Activity Origin of Electrocatalytic Oxygen Evolution over Isolated Ni Atoms Supported on a N‐Doped Carbon Matrix. Adv. Mater. 2019,

DOI: 10.1002/adma.201904548

https://onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1002/adma.201904548

14. AEM：原位产生氧缺陷实现高活性、高稳定性的光催化固氮

含氧空位（OVs）的光催化材料凭借OVs在N₂捕获和活化方面的特性在光催化固氮方面展现出良好的催化活性。然而，材料表面的OVs极不稳定，容易捕获反应体系H₂O/O₂中的O原子，进而失活。针对这一问题，中南大学梁叔全教授、王梁炳教授与中国科学技术大学的郑旭升研究员等设计合成了多孔的WO₃材料，发现WO₃纳米颗粒的晶体接界处（GBs）在光照下会原位产生OVs，进而提高材料的光催化固氮性能。

具体而言，600 ℃下煅烧氧化得到的WO₃-600在室温、无牺牲试剂的反应条件下催化产NH₃的速率高达230 μmol g_cat^-1 h^-1，是不含GBs的WO₃材料的17倍。此外，材料在数十次的循环测试中活性基本无降低，展示出极高的稳定性。进一步的机理探究表明，GBs和OVs的存在一方面会共同调节WO₃的能带结构，另一方面伴随的W-O共价键合作用的增强会促使光生电子更易与N₂反应。总而言之，本工作展现了原位产生的OVs在光催化固氮方面的作用，为设计合成高活性、高稳定性的固氮材料提供了新的思路。

Tingting Hou, Yu Xiao, Peixin Cui, Yining Huang, Xiaoping Tan, Xusheng Zheng, Ying Zou, Changxi Liu, Wenkun Zhu, Shuquan Liang, and Liangbing Wang. Operando Oxygen Vacancies for Enhanced Activity and Stability toward Nitrogen Photofixation. Adv. Energy Mater., 2019, 1902319.

DOI：10.1002/aenm.201902319.

https://onlinelibrary.wiley.com/doi/abs/10.1002/aenm.201902319

15. ACS Catalysis: 高稳定性的尖晶石型NiAl₂O₄负载Pt催化剂用作甲醇水相重整制氢

成熟的制氢和储氢技术是氢能源广泛应用的前提，水重整制氢具有制氢温度低、能耗低（原料无需汽化）、流程简单、成本低和环保的优势，是一种极具潜力的制氢新技术，然而常用的γ-Al₂O₃负载Pt催化剂存在载体易相变失活的问题。

鉴于此，华东理工大学王艳芹教授团队设计制备了尖晶石型NiAl₂O₄负载Pt催化剂（Pt/NiAl₂O₄），其中的Pt有多个金属态，有利于促进甲醇脱氢，而且NiAl₂O₄中的氧空位也有利于促进水煤气转变，两者的协同作用使Pt/NiAl₂O₄催化剂用于甲醇水相重整制氢，具有优异的稳定性和催化活性。该工作为设计制备高稳定性、高催化活性的水相重整制氢催化剂提供了一种新的策略。

Didi Li, Yi Li, Xiaohui Liu, Yong Guo^*, Chih-Wen Pao, Jeng-Lung Chen, Yongfeng Hu, Yanqin Wang^*. NiAl₂O₄ Spinel Supported Pt Catalyst: High Performance and Origin in Aqueous-Phase Reforming of Methanol. ACS Catalysis, 2019.

DOI: 10.1021/acscatal.9b02243

https://doi.org/10.1021/acscatal.9b02243

16. ACS Catal.: DFT计算单原子催化剂对2e-氧还原反应的选择性和催化活性

通过电化学还原部分O₂合成H₂O₂是一种非常具有潜力的代替传统Riedl–Pfleiderer化工工艺生产过氧化氢的技术，然而在酸性介质中电催化剂较低的催化活性和选择性限制了其实际应用。

鉴于此，北京化工大学的黄世萍，南京理工大学的陈中方和美国波多黎各大学的张胜利合作利用密度泛函理论（DFT），分析了几种重要的单原子催化剂催化二电子氧还原反应的催化活性，研究了他们在酸性介质中的催化活性、选择性和稳定性，最后筛选出二维锌酞菁等7种对电化学还原部分O₂合成H₂O₂高催化活性的单原子催化剂。该工作对通过DFT理论模拟和计算，构建结构-性能关系，高效选择电催化剂具有重要的借鉴意义。

Xiangyu Guo, Shiru Lin, Jinxing Gu, Shengli Zhang, Zhongfang Chen, Shiping Huang. Simultaneously Achieving High Activity and Selectivity towards Two-Electron O₂ Electroreduction: the Power of Single-Atom Catalysts, ACS Catalysis, 2019.

DOI: 10.1021/acscatal.9b02778

https://doi.org/10.1021/acscatal.9b02778

17. ACS Catal.: Fe/N/C氧还原反应催化剂的研究进展

由于对氧还原反应（ORR）的高活性和对四电子途径的选择性，单原子Fe/N/C电催化剂被认为是燃料电池中最有潜力的低成本催化剂。尽管在过去的十年中，Fe/N/C催化剂取得了显著的进步，但在催化活性和耐久性方面，仍远远落后于用于轻型车辆的质子交换膜燃料电池等实际装置的Pt基材料。近年来，在铁/氮/碳电催化领域的研究进展主要是基于经验方法和随机组合合成条件以及改变前驱体。为了合理设计适用的Fe/N/C催化剂，需要对Fe/N/C的电催化有深刻的理解。

近日，武汉大学的陈胜利和美国东北大学的Qingying Jia, Sanjeev Mukerjee课题组合作综述了Fe/N/C氧还原反应催化剂的研究进展，他们对Fe/N/C催化剂目前的发展状况与挑战进行了总结，对可能存在的催化活性中心进行了分类归纳以及对各自的优缺点进行了比较，从活性中心的角度出发，对存在的pH效应以及稳定性差等提出了深度的分析。这些总结和展望对高催化活性和高稳定性的Fe/N/C材料研究的未来方向提出了指导性意见。

Wang Wang, Qingying Jia^*, Sanjeev Mukerjee^*, Shengli Chen^*. Recent Insights into the Oxygen-Reduction Electrocatalysis of Fe/N/C Materials. ACS Catalysis, 2019.

DOI: 10.1021/acscatal.9b02583

https://doi.org/10.1021/acscatal.9b02583

18. Nano Letters: 反钙钛矿型氮化物CuNCo_3-xV_x用作高效持久的OER催化剂

钙钛矿氧化物具有成本低、稳定性好、OER催化活性高等优势，是一种非常具有潜力的OER催化剂，然而，低电导率限制了其广泛实际应用。鉴于此，华南理工大学的崔志明教授团队设计合成了一种钴基反钙钛矿氮化物CuNCo_3-xV_x，研究发现，V取代Co位可以下移d带中心，从而减弱了吸附物与OER催化剂之间的相互作用，该析氧反应催化剂具有优异的电催化性能，达到10mA/cm²的电流密度仅需235mV的过电势。该工作为设计制备高催化活性、低成本的OER催化剂提供了一种新的思路。

Jiaxi Zhang, Xiao Zhao, Li Du, Yutao Li, Longhai Zhang, Shijun Liao, John B. Goodenough, Zhiming Cui. Antiperovskite Nitrides CuNCo_3–xV_x: Highly Efficient and Durable Electrocatalysts for the Oxygen-Evolution Reaction. Nano Letters, 2019.

DOI: 10.1021/acs.nanolett.9b03168

https://doi.org/10.1021/acs.nanolett.9b03168

19. Nano Letters: 电解液栅效应对单分子层MoS₂的HER性能具有重要作用

根据密度泛函理论，单分子层MoS₂对析氢反应的电催化活性接近铂。然而，它的实际活性要低得多，这被广泛认为是由于单分子层MoS₂和它的电接触之间形成的较大的肖特基屏障。为了更好地了解接触电阻在限制单分子层MoS₂对HER电催化剂性的影响，近日哥伦比亚大学的James Hone和Daniel V. Esposito合作，采用可以在电化学测试期间同时测量接触电阻和对HER电催化活性的测试平台。

研究发现，即使初始器件在空气中的接触电阻非常低，在0.5M的H₂SO₄电解液中，其产生了极高的接触电阻，这是因为H₂SO₄是一种强的p型掺杂剂，可以耗尽MoS₂中的自由电子。然而，在施加负电位的情况下，这种掺杂可以通过一种强烈的电解液调节的栅效应来缓解，这种栅效应可以通过适当配置单分子层MoS₂电催化剂从而降低接触电阻和片电阻，可达在5个数量级以上，在这种情况下，接触电阻变得微不足道，MoS₂电极的性能受HER动力学的限制。该工作对设计低维半导体电催化剂和光催化剂具有重要的借鉴意义。

Xiangye Liu, Baichang Li, Xufan Li, Avetik R. Harutyunyan, James Hone^*, Daniel V. Esposito^*. The Critical Role of Electrolyte Gating on the Hydrogen Evolution Performance of Monolayer MoS₂. Nano Letters, 2019.

DOI: 10.1021/acs.nanolett.9b03337

https://doi.org/10.1021/acs.nanolett.9b03337