文章背景
作者：Zhenyu Shi
通讯作者：Anthony R. J. Kucernak，张华
机构：伦敦帝国理工学院，香港城市大学
期刊：Nature
年份：2023
影响因子：64.8
原文链接：
https://doi.org/10.1038/s41586-023-06339-3
01
研究背景
文章概述
本研究报道了在二维MoS2纳米片上高纯度1T'相和2H相的制备方法，并展示了Pt纳米颗粒和单原子Pt在不同相上的生长行为。研究发现，1T'相支持Pt纳米颗粒的外延生长，而2H相则支持单原子Pt的分散。在酸性介质中，单原子Pt/1T'-MoS2表现出高效的电催化H2进化活性。这项研究为理解晶相对催化剂生长和性能的影响提供了重要见解，并为开发高效催化剂提供了新的思路。
研究背景
本篇文章的研究背景是关于高效H2产生的相依赖性Pt在MoS2上的生长。研究人员针对电催化剂在酸性介质中的氢气进化反应（HER）进行了研究，目的是开发出高效的HER催化剂。传统的Pt基催化剂在HER中表现出良好的活性，但其高成本和稀缺性限制了其广泛应用。因此，寻找替代的低成本和高效的催化剂是一个重要的研究方向。MoS2是一种具有优异电催化性能的二维材料，但其HER活性相对较低。为了提高MoS2的HER活性，研究人员将单原子Pt嵌入到MoS2的晶格中，形成了单原子Pt/MoS2催化剂。通过调控Pt在MoS2上的生长方式和相依赖性，研究人员成功地提高了催化剂的HER活性。本研究的背景是为了解决HER催化剂的高成本和稀缺性问题，并提高MoS2作为催化剂的活性。通过研究Pt在MoS2上的生长方式和相依赖性，研究人员为开发高效的HER催化剂提供了新的思路和方法。
研究思路
本研究的研究思路是探究二维过渡金属二硫化物（TMDs）的晶相对于辅助材料生长的影响，并解决了相关的研究问题。具体而言，研究团队关注的是钯（Pt）纳米颗粒在二维硫化钼（MoS2）纳米片上作为电催化剂用于产氢反应的情况。他们发现，当MoS2模板中同时存在金属/半金属1T/1T'相和热力学稳定但导电性较差的2H相时，只有约三分之二的Pt纳米颗粒能够外延生长在MoS2上。
为了解决这个问题，研究团队首先制备了高纯度的1T'相MoS2纳米片作为模板。然后，他们发现1T'相MoS2模板能够促进Pt纳米颗粒的外延生长，而1T'相上则支持着单原子分散的Pt（s-Pt）原子，Pt的负载量可高达10wt%。通过密度泛函理论计算，研究团队发现在s-Pt/1T'相MoS2体系中，Pt原子占据了三个不同的位置，其中位于Mo原子上方的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高效的电催化产氢反应。实验结果显示，s-Pt/1T'相MoS2在-50mV的过电位下具有85±23 A/mgPt的质量活性和127 A/mgPt的质量归一化交换电流密度，并且在室温下在H型电池和质子交换膜电解槽中表现出稳定的性能。
因此，通过制备高纯度的1T'相MoS2纳米片作为模板，本研究成功解决了Pt纳米颗粒在MoS2上的外延生长问题，并实现了高效的电催化产氢反应。这一研究结果对于其他重要反应的催化剂开发也具有潜在的应用价值。
02
主要研究成果
①
催化剂制备
1. 合成1T'-MoS2和2H-MoS2纳米片：通过化学合成方法成功制备了高纯度的1T'-MoS2和2H-MoS2纳米片。
2. Pt纳米颗粒的生长：使用光还原法在1T'-MoS2和2H-MoS2纳米片上生长Pt纳米颗粒。结果显示，在2H-MoS2纳米片上生长了平均尺寸为1.1±0.4 nm的超小Pt纳米颗粒，而在1T'-MoS2纳米片上实现了Pt的单原子分散。
②
DFT计算
通过密度泛函理论计算，揭示了Pt原子在s-Pt/1T′-MoS2体系中占据三个不同的位置，并且发现Pt原子在Mo原子上方的位置具有接近零的氢吸附自由能，这可能有助于高效的电催化产氢反应。
③
结构表征
Pt/1T'-MoS2和Pt/2H-MoS2的结构表征：通过X射线吸收光谱(XANES)、扩展X射线吸收精细结构(EXAFS)、X射线光电子能谱(XPS)和拉曼光谱等技术对Pt/1T'-MoS2和Pt/2H-MoS2进行了结构表征。结果表明，Pt/1T'-MoS2中的Pt呈单原子分散状态，而Pt/2H-MoS2中的Pt呈超小纳米颗粒状态。
④
活性来源
Pt/1T'-MoS2和Pt/2H-MoS2的电催化性能评估：通过电化学测试评估了Pt/1T'-MoS2和Pt/2H-MoS2在H2产生反应中的性能。结果显示，Pt/1T'-MoS2表现出较高的催化活性和稳定性，相比之下，Pt/2H-MoS2的性能较差。
总结
研究结论：
通过制备高纯度的1T′-MoS2纳米片，可以促进Pt纳米颗粒的外延生长，而1T′相则支持单原子分散的Pt原子。在酸性介质中，这种s-Pt/1T′-MoS2体系表现出高效的电催化产氢性能，具有较高的质量活性和质量归一化交换电流密度，并且在室温下在H型电池和质子交换膜电解槽中表现出稳定的性能。
研究的创新性：
①首次报道了1T′-MoS2纳米片作为模板促进Pt纳米颗粒的外延生长，并且发现1T′相可以支持高负载量的单原子分散的Pt原子。
②通过密度泛函理论计算，揭示了Pt原子在s-Pt/1T′-MoS2体系中占据三个不同的位置，并且发现Pt原子在Mo原子上方的位置具有接近零的氢吸附自由能，这可能有助于高效的电催化产氢反应。
研究的不足之处：
①由于相稳定性的限制，目前只能在室温下进行高效的电催化产氢，无法在高温条件下操作。
②本研究主要关注Pt在1T′-MoS2上的生长和电催化产氢性能，对其他重要反应的催化剂支持性能尚未进行深入研究。
研究展望：
①进一步研究1T′-MoS2纳米片作为催化剂支持材料在其他重要反应中的性能，探索其广泛的应用潜力。
②优化Pt纳米颗粒的外延生长过程，提高其负载量和分散性，进一步提高电催化产氢性能。③探索其他过渡金属二硫化物纳米片作为模板，促进不同金属纳米颗粒的外延生长，拓展催化剂设计的可能性。
研究意义：
① 在理论上，揭示了TMD晶相对于辅助材料生长的影响，为理解二维材料的生长机制提供了重要线索。
②在实践上，开发了高效的Pt/1T′-MoS2电催化产氢体系，为可持续能源转化和储存提供了新的解决方案。这对于实现清洁能源的可持续发展具有重要意义。
转自：“科研一席话”微信公众号
如有侵权，请联系本站删除！
