半導體 2H 相二硫化鉬 (2H-MoS
2) 的析氫反應性能是實現其全部潛在應用的重大障礙。在這里，研究者利用理論計算來預測可能的功能化石墨烯量子點（GQD），它可以增強塊狀 MoS
2 的 HER 活性。隨后，作者設計了一種功能化GQD誘導的原位自下而上策略，通過調節吸電子/供電子官能團的濃度來制造以GQD（ALQD）介導的近原子層2H-MoS
2納米片。實驗結果表明，一系列功能化GQD的引入在ALQD的合成過程中起著至關重要的作用。值得注意的是，GQD 上吸電子官能團的濃度和強度越高，所得的 ALQD 就越薄且活性更高。值得注意的是，合成的近原子層 ALQD-SO
3 表現出顯著改善的 HER 性能。該GQD 誘導策略為擴大 MoS
2 的催化應用提供了一種簡單有效的方法。此外，它在開發其他過渡金屬二硫屬化物材料中的納米片方面具有巨大的潛力。
Fig 1. 通過理論預測材料的結構、電荷特性和 HER 性能。 a GQDs 進入 2H-MoS
2 的結構穩定性。 b 四種ALQD的結構，d是通過測量兩個Mo原子的垂直距離得到的2H-MoS
2 NS的層間距。黃色、藍色、灰色、白色和綠色球分別代表S、Mo、C、H和官能團。 c 四種ALQD的層間距和形成能。 d PDOS和C原子的p帶中心連接到-SO
3和-NH
2。 e 連接至-SO
3 和-NH
2 的C 原子的電荷密度差和Bader 電荷。綠色和紅色等值面分別表示電子密度的減少和增加，其值為±3× 10
−4 e Bohr
−3。 f 四種類型 ALQD 的四個位點上 HER 過程的吉布斯自由能變化 (ΔG
*H)。 g 與四種類型 ALQD 上的官能團相連的 C 位點的 HER 過程的吉布斯自由能曲線。
Fig 2. 合成材料的形態和結構表征。 ALQD-SO
3 的 TEM 圖像。 b ALQD-SO
3 的高分辨率 TEM 圖像。 b 中的插圖顯示了放大的 MoS
2 NS 的規則晶格。 c ALQD-SO
3 的 AFM 圖像。 d ALQD-SO
3 和塊狀 MoS
2 的 XRD 圖譜。 e ALQD-SO
3 和塊狀 MoS
2 的拉曼光譜。 f XPS總譜，以及 ALQD-SO
3 和塊狀 MoS
2 的高分辨率 XPS g Mo 3d 和 h S 2p 光譜。 i ALQD-SO
3 和塊狀 MoS
2 的電導率。
Fig 3. 合成材料的HER性能。 a CB@MoS
2、塊狀MoS
2、ALQD-SO
3和Pt-C的LSV曲線在0.5 M H
2SO
4電解液中進行。 b 相應的塔菲爾斜率源自 LSV 曲線。 c 對于塊狀 MoS
2 和 ALQD-SO
3，在 0.25 V 與 RHE 下測得的電容電流之比。c 中的插圖顯示了 ALQD-SO
3 在 20 至 200 mV s
-1 掃描速率下的循環伏安圖。 d 塊狀 MoS
2 和 ALQD-SO
3 的 NH
3-TPD 曲線。 e 塊狀 MoS
2 和 ALQD-SO
3 的奈奎斯特圖。 f LSV 曲線是在 0.2 至 -0.8 V 相對于 RHE 的條件下在 1000 個循環之前和之后測量的。 g 相對于RHE在250 mV下電流密度隨時間變化曲線。
Fig 4. ALQD-COOH 和 ALQD-OH 的形態表征和 HER 性能。 a ALQD-COOH 和 b ALQD-OH 的 AFM 圖像。 c ALQD-COOH 和 d ALQD-OH 的 TEM 圖像。 e ALQD-COOH 和 f ALQD-OH 的高分辨率 TEM 圖像。 ALQD-COOH 和 ALQD-OH 的 g LSV 曲線在 0.5 M H
2SO
4 電解質中進行。 h 相應的塔菲爾斜率源自 LSV 曲線。 i ALQD-COOH 和 ALQD-OH 的奈奎斯特圖。
相關研究工作由上海大學Liang Wang聯合南洋理工大學Zheng Liu和華東理工大學Cheng Lian課題組于2023年在線發表于《Nano-Micro Letters》期刊上，Graphene Quantum Dot Mediated Atom-Layer Semiconductor Electrocatalyst for Hydrogen Evolution。
原文：
https://doi.org/10.1007/s40820-023-01182-7
轉自《石墨烯研究》公眾號
