北大张艳锋课题组析氢反应催化剂研究获进展

据中国科学院网站消息：近日，北京大学工学院材料科学与工程系张艳锋研究员课题组在《自然∙通讯》（Nature Communications）上发表文章《二维金属性TaS2：一种电催化析氢反应催化剂》（Two-dimensional metallic tantalum disulfide as a hydrogen evolution catalyst），报道了研究组在二维金属性TaS2薄膜的大面积可控制备和电催化析氢应用方面的最新进展。

左图为金箔上用LPCVD法制备2H-TaS2薄膜的示意图，电催化析氢反应示意图，以及样品的高分辨TEM图像；右图为VS2纳米片的OM图像，以及其作为单层MoS2器件电极的示意图

金属性过渡金属硫化物(MX2)，特别是由第五副族金属元素形成的MX2材料，具有磁性、电荷密度波、超导等新奇的物理特性，而其二维限域下的薄层结构被认为是探索这些新奇物性的模型体系，同时也可以应用于柔性透明电极和高效的催化/储能等领域，具有非常广阔的应用前景。现有获取二维薄层材料的途径有两种，一是通过化学气相输运获得体相MX2，随后利用胶带逐层剥离，但存在层厚不可控、畴区尺寸小，无法实现规模化制备等问题。另一种方法是借助高端的分子束外延方法，实现层厚的精确控制，然而该方法依赖价格高昂的仪器设备，且制备效率较低。

基于课题组前期在二维层状材料化学气相沉积(CVD)方面的长期积累，最近在金属性MX2材料的可控制备和应用研究方面取得了系列研究展。在传统的SiO2基底上成功地获得了厚度为几个纳米、面内尺寸达到几十微米的1T-VS2纳米片，并将其作为超级电容器的电极材料，在水相电解质中实现了高达8.6×102 F g-1的比电容(Nano Lett. 2017, 17, 4908)。在此基础上，他们首次利用范德华外延的方法，在原子级平整的云母表面可控合成了超高电导率的金属性1T-VSe2，该材料是构筑半导体性二维材料场效应晶体管器件的理想电极材料(Adv. Mater. 2017, 29, 1702359)。

最近，张艳锋研究员课题组引入低压化学气相沉积(LPCVD)的方法，在金箔基底上首次可控制备了厘米尺寸均匀、具有幻数厚度的高质量2H-TaS2薄膜(4层)。透射电子显微镜表征(TEM)显示薄膜具有非常高的晶体质量，与机械剥离样品可比。此外，他们也选用常压CVD (APCVD)的生长方法，在金箔上制备了层数可调的高质量2H-TaS2纳米片。根据温度依赖的Raman光谱表征结果，确定了不同厚度材料的电荷密度波从公度到近公度的相转变温度，进而绘制出了2H-TaS2电荷密度波相变温度随层数变化的相图。更为重要的是，他们利用2H-TaS2畴区边缘和表面丰富的电催化活性位点，外延材料和金属基底良好的界面耦合，以及催化过程中纳米片的形貌重整效应，获得了截至目前MX2体系中电催化析氢效率最接近贵金属Pt的结果，塔菲尔斜率为33~42 mV/dec，交换电流密度高达100~179.47 µA/cm2。该研究为金属性MX2材料的可控制备、精确表征和实际应用方向的开拓提供了重要的实验依据。总之，纳米尺度的金属性MX2材料具有超高的比表面积、丰富的边缘活性位点、优异的导电特性、层间相对弱的范德华相互作用等优异的特性，未来在能源的存储和转化领域具有非常广阔的应用前景。

这些工作得到了中科院物理所谷林研究员、北京大学物理学院吴孝松研究员、国家纳米中心刘新风研究员、湖北大学王喜娜教授、北京大学工学院张青研究员、以及北京大学化学与分子工程学院刘忠范教授等的通力合作和支持。该工作得到科技部重点研发计划，国家自然科学基金，北京市科委以及清华大学低维量子物理国家重点实验室开放基金等的资助。