二維金屬性TaS2的大面積可控制備和超高電催化析氫效率

楊金龍

中國科學(xué)技術(shù)大學(xué)化學(xué)與材料科學(xué)學(xué)院，合肥 230026

金箔上2H-TaS2薄膜的LPCVD制備過程圖、晶格結(jié)構(gòu)表征以及電催化析氫應(yīng)用示意圖

金屬性過渡金屬硫化物(MX2)具有磁性1、電荷密度波2,3、超導(dǎo)4等新奇的物理特性，而其二維限域下的薄層結(jié)構(gòu)被認(rèn)為是探索這些新奇物性的模型體系。最近的研究表明，這類二維材料也可以應(yīng)用于柔性透明電極5和新型的催化/儲(chǔ)能等領(lǐng)域，具有非常廣闊的應(yīng)用前景6。獲得高質(zhì)量、層數(shù)可控的二維金屬性MX2材料是相關(guān)研究的關(guān)鍵前提。需要對(duì)其生長方法和生長過程進(jìn)行設(shè)計(jì)和調(diào)控，同時(shí)選擇合適的基底材料，建立起材料的微觀形貌/結(jié)構(gòu)、電學(xué)特性，以及實(shí)際應(yīng)用之間的構(gòu)效關(guān)系?，F(xiàn)有獲取薄層金屬性MX2材料的途徑有兩種，一是通過化學(xué)氣相輸運(yùn)(CVT)獲得體相的材料，隨后利用膠帶逐層剝離的方法獲得其二維結(jié)構(gòu)7。然而，這種方法存在獲得的 MX2層厚不可控、疇區(qū)尺寸小、制備效率低，無法實(shí)現(xiàn)規(guī)模化制備等瓶頸問題。另一種方法是借助高端的分子束外延方法，實(shí)現(xiàn) MX2層厚的精確控制，獲得單層/少層的樣品8。然而這種方法依賴價(jià)格高昂的儀器設(shè)備、復(fù)雜的制備過程，存在生長成本高、效率低，無法實(shí)現(xiàn)其規(guī)模化制備等問題。因此，大面積/大批量地獲得高質(zhì)量、層數(shù)可控的金屬性MX2材料是相關(guān)領(lǐng)域的關(guān)鍵科學(xué)問題。

基于此，最近北京大學(xué)張艷鋒研究員課題組通過對(duì)于化學(xué)氣相沉積(CVD)生長過程的選擇和優(yōu)化，特別引入低壓CVD (LPCVD)的生長方法，基于在半導(dǎo)體性MX2材料制備和表征方面的前期基礎(chǔ)，選用對(duì)于前驅(qū)體(S、Se等)具有良好惰性的金屬箔材-金箔作為生長基底，可控制備了厘米尺寸均勻、具有幻數(shù)厚度(4層)的高質(zhì)量2H-TaS2薄膜。透射電子顯微鏡(TEM)表征顯示樣品的晶體質(zhì)量與機(jī)械剝離樣品可比。與此同時(shí)，他們也選用常壓CVD (APCVD)的生長方法，在金箔上可控制備了層數(shù)可調(diào)的高質(zhì)量 2H-TaS2納米片?；跍囟纫蕾嚨腞aman光譜表征結(jié)果，確定了不同厚度下2H-TaS2的電荷密度波從公度到近公度的相轉(zhuǎn)變溫度，進(jìn)而繪制出了電荷密度波相變溫度隨層數(shù)變化的相圖。該相圖與利用機(jī)械剝離樣品獲得的相關(guān)測(cè)試結(jié)果高度一致，這也預(yù)示著CVD法合成的樣品具有非常高的晶體質(zhì)量，可以用來建立起層厚和物性的直接關(guān)聯(lián)，探索量子限域條件下的新奇物理化學(xué)特性。

二維材料理論計(jì)算領(lǐng)域的知名專家-美國Rice大學(xué)Boris I. Yakobson教授等最新的計(jì)算結(jié)果表明，2H-TaS2納米片的表面和邊緣均具有高的電催化析氫活性，可以成為二維材料大家族中繼半導(dǎo)體性M oS2(疇區(qū)邊緣有較高的催化活性)之后又一新型的電催化析氫催化劑9?；诖耍瑥埰G鋒課題組選用金箔上直接制備的 2H-TaS2作為催化劑，利用其豐富的電催化活性位點(diǎn)，外延材料和基底良好的界面耦合，以及電催化反應(yīng)過程中納米片的形貌重整效應(yīng)，獲得了超高的電催化析氫效果，塔菲爾斜率為 33–42 mV·dec?1，交換電流密度高達(dá)100–179.47 μA·cm?2。值得一提的是，該結(jié)果是目前已有報(bào)道的金屬性MX2體系中電催化析氫效率最接近貴金屬Pt的結(jié)果。該研究為金屬性硫?qū)倩衔?特別是 TaS2)的電催化析氫應(yīng)用提供了重要的實(shí)驗(yàn)依據(jù)，開拓了該類材料作為新型催化劑的應(yīng)用方向。總之，納米尺度的2H-TaS2具有高的比表面積、豐富的邊緣活性位點(diǎn)、優(yōu)異的導(dǎo)電特性、層間相對(duì)弱的范德華相互作用等優(yōu)異的特性，未來在能源的存儲(chǔ)和轉(zhuǎn)化領(lǐng)域必將有更廣闊的應(yīng)用前景。

該工作中所報(bào)道的利用 CVD法合成的高質(zhì)量二維金屬性 2H-TaS2是最接近理想模型的二維材料體系，既可以實(shí)現(xiàn)電荷密度波、超導(dǎo)等新奇物性的探索，也可以作為有可能替代貴金屬Pt的新型非金屬催化劑，實(shí)現(xiàn)高效的電催化析氫應(yīng)用。該研究與湖北大學(xué)物理與電子科學(xué)學(xué)院王喜娜教授課題組、國家納米科學(xué)中心劉新風(fēng)研究員課題組和中國科學(xué)院物理研究所谷林研究員課題組等合作完成。

該研究工作近期已在Nature Communications上在線發(fā)表10。該工作首次報(bào)道了二維金屬性2HTaS2材料的大面積可控制備，揭示了該類材料在電催化析氫方面的良好應(yīng)用前景，為進(jìn)一步探究二維金屬性MX2的新奇物性和實(shí)際應(yīng)用提供了新的研究思路。

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