国刊《NML》丨利用石墨烯量子点介导的原子层半导体电催化剂实现氢演化

摘要

半导体2h相二硫化钼(2H-MoS2)的析氢反应性能是实现其充分应用潜力的重要障碍。在这里利用理论计算来预测可能的功能化石墨烯量子点(GQDs)，它可以增强大块二硫化钼的HER活性。随后，研究设计了一种功能化gqd诱导的原位自下而上策略，通过调节吸电子/供电子官能团的浓度来制备gqd介导的近原子层2H-MoS2纳米片。实验结果表明，在ALQD的合成过程中，一系列功能化gqd的引入起着至关重要的作用。值得注意的是，gqd上吸电子官能团的浓度和强度越高，得到的ALQD越薄，活性越强。值得注意的是，合成的近原子层ALQD-SO3具有显著提高的HER性能。我们的gqd诱导策略为扩大MoS2的催化应用提供了一种简单有效的方法。此外，在其他过渡金属二硫化物材料中开发纳米片具有巨大的潜力。

创新点

1. 通过理论计算，预测了石墨烯量子点（GQDs）上的官能团。

2. 利用功能化GQD诱导的原位自底向上方法合成了约2 nm的近原子层qd@so3。

3. 阐述了功能化GQDs的作用机理，即与吸电子基团相比，吸电子基团功能化GQDs有助于二硫化钼纳米片结构的形成。

图文参考

图1. 通过理论预测，得到了材料的结构、电荷性能和HER性能

图2. 合成材料的形态学和结构表征

图3.  合成材料的HER性能

图4. ALQD-COOH和ALQD-OH的形态学特征和HER性能

总结

综上所述，首先通过理论计算预测了GQDs诱导2H-MoS2 NSs的可能形成机制以及提高其HER性能的内在机制。研究结果表明，GQDs中的吸电子基团可以扩大2H-MoS2的层间距，有效地刺激2D 2H-MoS2 NSs的形成。此外，研究发现Mo和S都是潜在的活性位点，它们被ALQD的吸电子基团激活，这些基团保持了与官能团连接的C原子的更高电荷密度，从而提高了HER性能。在理论预测的指导下，成功地利用功能化gqd诱导的原位自下而上方法合成了近原子层ALQD-SO3。所制得的ALQD-SO3具有近2 nm的原子层厚度和较长的储存稳定性。值得注意的是，合成的近原子层ALQD-SO3具有明显改善的HER性能，其过电位为245 mV，电流密度为10 mA cm−2,Tafel斜率为93.2 mV dec−1，反应动力学快。此外，其电催化稳定性达到了160 h以上，没有明显的活性衰减，这表明其作为高性能电催化剂具有广阔的应用前景。研究揭示了吸电子基团功能化GQDs和供电子基团功能化GQDs对MoS2 NSs的构建和HER活性的不同影响。具体来说，吸电子基团功能化的GQDs有利于MoS2的NS结构的形成和HER过程，而供电子基团功能化的GQDs有利于聚合体MoS2的构建，导致HER动力学缓慢。

结果表明，吸电子基团功能化的GQDs在调控2H-MoS2的电子结构和形态中起着至关重要的作用。值得注意的是，GQDs上吸电子基团的强度(-SO3 vs -COOH)影响所得2H-MoS2 NSs的厚度和she催化活性。因此，探索更强吸电子基团(-CF3、-CN等)功能化GQDs的可能合成途径，以制备电催化能力更强的原子层2H-MoS2 NSs是值得进一步研究的。研究的方法启发了相关原子层半导体电催化剂的发展，使其易于进一步探索其令人兴奋的物理化学性质以及在电化学器件和催化中的应用。此外，研究的方法可以在短时间内以简单安全的水热操作获得大量近原子层半导体电催化剂纳米材料，适合大规模生产，具有良好的工业化前景。

* 参考文献：https://doi.org/10.1007/s40820-023-01182-7