背景介绍
能源危机和环境问题的日益加剧，促使人们加快可再生清洁能源的开发和利用的脚步，氢能作为最具潜力的清洁能源之一备受关注， 目前开发高效析氢催化剂的研究成为电解水获得氢气的研究重点之一。目前，铂及其合金仍然是最有效的HER催化剂，但其昂贵的价格及有限的储量限制了铂基催化剂的大规模工业应用。过渡金属硫属化合物 (TMDs) 因具有潜在的大量活性位点和化学稳定性等优势被认为是催化应用的潜在替代品。然而，位于基面上的大量位点仍然不具有催化活性。因此，研究如何激活二维TMDs基面惰性原子的催化活性具有重要的意义和挑战性。
成果简介 哈尔滨理工大学陈明华教授团队与中国科学技术大学王功名教授团队采用水热和化学气相沉积法制备了磷掺杂硫化钨纳米线（P-WS2 NWAs）阵列，通过精确调控磷硫比例，实现了高的本征催化活性，并进一步证明了磷调制是一种通用且简便的策略，可有效改善TMDs 的HER催化作用，包括WSe2，这表明催化增强具有广泛的普遍性。密度泛函理论计算结果表明，磷的引入可以增强钨d轨道和硫p轨道之间的杂化，从而减小带隙，提高磷掺杂硫化钨的电导率。此外，磷掺杂剂可以使费米能级周围的态密度再分布，有利于磷掺杂硫化钨基面上的电子传递、氢吸附和还原，赋予基面类边缘催化活性。基于适当比例的磷作为电子结构调制器,磷掺杂硫化钨电极表现出优异的性能,在电流密度为10 mA•cm-2时，过电位为88 mV，Tafel斜率为62 mV•dec-1。重要的是，通过合理的轨道和电子调制来调节活性位点的电子密度，可以为开发高性能的HER催化剂等提供有价值的途径。 图文导读 首先，我们通过电沉积在碳布上制备晶种层，随后，利用种子辅助水热合成法在碳布上生长氧化钨纳米线。最后，同时磷化和硫化氧化钨得到磷掺杂硫化钨纳米线。 图1 P-WS2 NWAs的形貌表征。 利用三电极体系评估HER性能，P-WS2 NWAs在HER催化中表现出最佳的催化行为，在10 mA•cm−2的电流密度下过电位为88 mV，远优于WS2 NWAs。 图2 P-WS2 NWAs的HER性能图。 为了直观地显示P掺杂剂对WS2电子结构的影响，作者进一步进行了密度泛函理论计算。总态密度分析表明P掺杂剂可以提高价带，显著增加S的费米能级附近的电子态密度，有利于电子传递、增强氢吸附并促进氢还原，从而提高催化活性。 图3 DFT揭示调控的本质原因。 作者简介 陈明华，哈尔滨理工大学教授，博士生导师，国家优青，黑龙江省杰青、龙江学者。长期从事储能器件与关键材料的设计构建、电荷输运调控及储能机理的研究。近年来在Adv. Mater.、Adv. Energy Mater.、Nano Energy、Adv. Funct. Mater.、Small等期刊发表SCI论文100余篇。授权国家发明专利11项。获黑龙江省自然科学二等奖2项和黑龙江省青年科技奖。目前担任电气与电子工程学院副院长、工程电介质及其应用教育部重点实验室副主任，以及中国电机工程学会高电压专委会青年学组委员、IEEE PES中国区电动汽车动力电池技术委员会常务理事、黑龙江省青年联合会委员等职务。 王功名，博士，中国科学技术大学化学与材料科学学院教授，博士生导师。2008年本科毕业于中国科学技术大学，2013年于美国加州大学 Santa Cruz 分校获博士学位。2013-2016年期间在美国加州大学 Los Angeles 分校从事博士后研究工作，2016年6月加入中国科学技术大学。长期聚焦于材料的表界面调控的研究，通过设计新颖的表面功能化策略，发展材料在能源和催化领域的应用。在Nano Res.，Nat. Commun.，Sci. Adv.，Adv. Mater.，J. Am. Chem. Soc.等国际著名期刊上发表SCI论文100余篇。 文章信息 Fan Wang, Shuwen Niu, Xinqi Liang, Gongming Wang*, Minghua Chen*. Phosphorus Incorporation Activates the Basal Plane of Tungsten Disulfide for Efficient Hydrogen Evolution Catalysis. Nano Research https://doi.org/10.1007/s12274-021-3873-2.
