AM: 用于电化学能量转换的过渡金属二硫属化合物的研究进展

雨辰

2021-08-19

过渡金属二硫属化合物(TMDCs)由于其独特的层状结构和超薄厚度的结构特点，在电化学能量转换技术中具有广阔的前景。作为后石墨烯时代深入研究的二维层状材料，TMDCs 已成为电化学能源相关应用中最有前途的候选材料之一。由于惰性基面占据了TMDC的大部分，因此基面位点的活化对于充分开发TMDC的内在潜力是必要的。

有鉴于此，新加坡南洋理工大学楼雄文教授、中国科学院福建物质结构研究所张健研究员和阿卜杜拉国王科技大学Huabin Zhang等人，综述了电化学活性显著增强的基于 TMDC 的杂化物/复合材料的最新进展。

本文要点

1）在总结了不同尺寸和形态的 TMDC 的合成方法的基础上，详细介绍了全面的面内活化策略，主要包括面内改性诱导的相变、表层调制和层间改性/耦合。同时，对电化学活性的改善机制进行了重点阐述。最后，对TMDCs面内活化的进一步研究方向进行了分析。具体来说，TMDCs的相位和域工程中的深度电子调制是活化TMDCs基面的有效策略。有趣的是，通过结构修饰，修饰后的TMDCs的应用也从双电子参与HER扩展到多电子参与OER、ORR、CO₂RR、NRR。在催化剂合成、催化应用和机理探索方面，对TMDCs有了深刻的认识。

2）尽管 TMDCs 的发展已经取得重大突破，但仍有一些可预见的挑战和关键问题亟待解决，以促进更高效的 TMDCs 的合理设计。此外，解决现有挑战的一些可能的解决方案也阐述如下：i) 尽管已经报道了一些 1T/T'-TMDCs 的制备方法，但具有良好控制的 1T/T' 相的 TMDCs 的可靠合成是还处于起步阶段。开发可以大规模生产高质量和纯度的 1T/T'-TMDC 的有效方法是非常需要的。虽ii)具体而言，具有明确单原子空穴和/或单个异原子取代的TMDCs单层是研究晶格约束催化的理想模型催化剂。ii)具有明确定义的单原子空位和/或单个外来原子取代的 TMDC 单层是研究晶格限制催化的理想模型催化剂。尽管取得了巨大的成就，但仍有许多科学和工程问题需要解决。由于TMDCs空位缺陷的复杂性，难以控制TMDCs中空位的浓度和分布，定量引入特定类型的空位仍然难以实现。iii) 通过莫尔超晶格和垂直螺旋位错调节层间耦合已被确定为调节催化性能的有效方法。通过调节 TMDC 的层间电子跳跃可以提高垂直电子电导率，为进一步探索电催化潜力开辟了新的机会。但相关研究尚处于起步阶段，有待进一步探索。iv) TMDCs 中的空位、相/畴界、掺杂原子、莫尔超晶格和螺旋位错通常对电催化过程产生积极作用。然而，反应机制仍然是个谜v)到目前为止，只有少量的TMDCs(如MoS₂、WS₂、MoSe₂、WSe₂、MoTe₂和VS₂)材料被开发为电化学能量转换的电催化剂。许多其他家族的TMDCs，特别是那些富d-电子的贵TMDCs(例如 PtS₂、PtSe₂、PdS₂、PdSe₂、)需要进一步研究。

总之，该工作将为基于 TMDC 的功能材料在电化学能源相关应用中的未来设计趋势提供一些启示。

参考文献：

Xin Wu et al. Recent Advances on Transition Metal Dichalcogenides for Electrochemical Energy Conversion. Advanced Materials, 2021.

DOI: 10.1002/adma.202008376

https://doi.org/10.1002/adma.202008376