二维金属性TaS2的大面积可控制备和超高电催化析氢效率

二 维 材 料 理 论计 算 领 域 的知 名 专 家一美 国 Ｒｉｃｅ 大 学 Ｂｏｒｉｓ Ｉ．Ｙａｋｏｂｓｏｎ教 授 等 最 新 的计 算 结 果表 明 ，２Ｈ—ＴａＳ２纳 米 片 的表面 和 边 缘 均 具有 高 的 电催 化 析 氢 活 性 ，可 以成 为 二 维 材 料 大 家 族 中继 半 导 体 性 ＭｏＳ２（畴 区边 缘 有 较 高 的催 化 活性 、之 后 又 一 新 型 的 电催 化 析氢 催 化 剂 。基 于此 ，张 艳 锋 课题 组 选 用 金 箔 上 直接 制备 的 ２Ｈ—ＴａＳ２作 为 催 化剂 ， 利 用 其 丰 富 的 电催 化 活 性 位 点 ，外 延 材 料 和 基底 良好 的 界 面 耦 合 ， 以及 电催 化 反应 过 程 中 纳米 片 的形 貌 重 整 效应 ，获得 了超 高 的 电催 化 析 氢 效果 ， 塔 菲 尔 斜 率 为 ３３＿４２ ｍＶ·ｄｅｃ～，交换 电流 密 度 高达 １００—１７９．４７／．ｔＡ·ｃｍ－２。值 得 一 提 的是 ，该 结 果 是 目 前 已有 报 道 的金 属 性 Ｍｘ２体 系 中 电催 化 析 氢 效率 最 接 近 贵 金 属 Ｐｔ的结 果 。该 研 究 为金 属 性 硫 属化 合 物 （特 别 是 ＴａＳ２）的 电催 化 析 氢 应 用 提 供 了重 要 的实 验 依 据 ， 开 拓 了该 类材 料 作 为新 型 催 化剂 的 应 用 方 向 。总 之 ，纳米 尺 度 的 ２Ｈ—ＴａＳ２具 有 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 必 将 有 更 广 阔 的 应 用 前 景 。
［Ｈｉｇｈｌｉｇｈｔ］
物 理 化 学 学 报 Ａｃｔａ尸 ．一Ｃｈｉｍ．Ｓｉｎ．２０１８，３４（５），４５３＿４５４
ｄｏｉ：１０．３８６６／ＰＫＵ．Ｗ ＨＸＢ２０１ ７１０２７２
４５３ ＷＷＷ．ｗｈｘｂ．ｐｋｕ．ｅｄｕ．ＣＩ１
二维金属性 ＴａＳ２的大面积 可控制备和超 高 电催化析 氢效率
４５４
Ａ ｃｔａ Ｐｈｙｓｉｃｏ—Ｃｈｉｍ ｉｃａ Ｓｉｎｉｃａ
Ｖｏ１．３４
量 地 获 得 高 质量 、层 数可 控 的金 属 性 Ｍｘ２材 料 是 相 关 领 域 的 关键 科 学 问题 。
基 于 此 ，最 近 北 京 大 学 张 艳 锋 研 究 员课 题 组 通 过 对 于 化 学 气 相 沉 积 （ＣＶＤ）生 长 过 程 的选 择 和 优 化 ，特 别 引入 低 压 ＣＶＤ （ＬＰＣＶＤ）的生 长 方 法 ， 基 于 在 半 导 体性 ＭＸ２材 料 制 备 和表 征 方 面 的前期 基 础 ，选 用对 于前 驱 体 （Ｓ、Ｓｅ等 ）具有 良好 惰 性 的 金 属 箔 材 一金 箔 作 为 生 长基 底 ，可控 制 备 了厘 米尺 寸 均 匀 、 具 有幻 数 厚 度 （４层 ）的高 质量 ２Ｈ—ＴａＳ２薄 膜 。透 射 电子 显微 镜 （ＴＥＭ）表 征 显示 样 品 的晶体 质 量 与 机 械 剥 离样 品可 比 。与 此 同 时 ，他 们 也 选用 常 压 ＣＶＤ（ＡＰＣＶＤ）的生 长 方 法 ，在 金 箔 上 可 控制 备 了层 数 可 调 的 高质 量 ２Ｈ—ＴａＳ２纳 米 片 。基 于温 度 依赖 的 Ｒａｍａｎ光 谱 表 征结 果 ，确 定 了不 同厚 度 下 ２Ｈ．ＴａＳ２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 电荷 密 度 波 相变 温 度 随 层 数 变 化 的 相 图 。该 相 图 与 利 用 机 械 剥 离 样 品获 得 的 相 关 测 试 结 果 高度 一 致 ，这 也 预示 着 ＣＶＤ 法 合 成 的样 品 具 有 非 常 高 的 晶 体 质 量 ， 可 以用 来 建 立 起 层 厚和 物 性 的 直 接 关 联 ， 探 索 量 子 限 域 条 件 下 的 新 奇 物 理 化 学特 性 。
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金箔上 ２Ｈ—ＴａＳ２薄膜的 ＬＰＣＶＤ制备过程 图、 晶格结构表征 以及 电催 化析氢应 用示意图
金 属 性 过 渡 金属 硫 化 物（ＭＸ２）具 有磁 性 、 电 荷 密度 波 ．一、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 。最 近 的研 究表 明 ，这 类 二维材 料 也 可 以 应 用 于 柔 性 透 明 电极 和 新 型 的 催 化／储 能 等 领 域 ，具 有 非 常 广 阔 的应 用 前 景 。获 得 高质 量 、层 数 可 控 的 二维 金 属 性 ＭＸ２材 料 是 相 关研 究的 关键 前 提 。 需要 对 其 生长 方 法 和 生 长 过程 进 行 设 计 和 调 控 ，同时 选择 合 适 的基 底材 料 ，建立 起 材 料 的微 观 形 貌／结 构 、 电学 特 性 ， 以及 实 际应 用 之 间 的构
杨 金 龙
中 国科 学 技 术 大 学 化 学 与 材 料 科学 学 院 ， 合肥 ２３００２６
Ｌａｒｇｅ－Ａｒｅａ Ｓｙｎｔｈｅｓｉｓ ｏｆ Ｔｗｏ－Ｄｉｍ ｅｎｓｉｏｎａｌ Ｍｅｔａｌｌｉｃ ＴａＳ２ ａｎｄ Ｕｌｔｒａｈｉｇｈ ＥｌｅｃｔｒＯＣａｔａＩｙｔｉＣ Ｈｙｄｒｏｇｅｎ Ｅｖｏｌｕｔｉｏｎ Ｒｅａｃｔｉｏｎ
ＹＡＮＧ Ｊｉｎｌｏｎｇ
Ｓｃｈｏｏｌ ｏｆ Ｃｈｅｍｉｓｔｒｙ ａｎｄ Ｍ ａｔｅｒｉａｌｓ Ｓｃｉｅｎｃｅ，Ｕｎｉｖｅｒｓｉｔｙ ｏｆ Ｓｃｉｅｎｃｅ ａｎｄ Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ ｏｆ Ｃｈｉｎａ，Ｈｅｆｅｉ ２３００２６，Ｒ Ｒ．Ｃｈｉｎａ．
Ｅｍａｉｌ：ｊｌｙａｎｇ＠ｕｓｔｃ．ｅｄｕ．ｃｎ
பைடு நூலகம்
效 关 系 。现 有 获取 薄 层 金 属性 ＭＸ２材 料 的途 径 有 两 种 ，一 是通 过 化 学 气相 输 运 （ＣＶＴ）获得 体 相 的 材 料 ，随 后 利 用 胶 带 逐 层 剥 离 的 方 法 获 得 其 二 维 结 构 。然 而 ，这 种方 法 存 在 获得 的 ＭＸ２层 厚 不 可 控 、畴 区 尺 寸 小 、制备 效 率 低 ，无 法 实现 规 模 化 制 备 等 瓶 颈 问题 。另 一 种 方 法 是 借 助 高 端 的 分 子 束 外延 方法 ，实现 ＭＸ２层 厚 的精确 控制 ，获 得单 层／ 少层 的样 品 。然 而这种 方 法依 赖价 格 高 昂的仪 器 设 备 、复 杂 的制备 过程 ，存 在生 长成 本 高、效率低 ， 无 法 实现其 规 模化 制备 等 问题 。因此 ，大 面 积／大 批