Nature：相依赖Pt原子负载在MoS2纳米片用作有效的析氢反应

【导读】

纳米科学与纳米技术领域的不断发展为我们提供了一系列强大的工具，使我们能够精确地设计和制备新型纳米材料，以满足日益增长的科学和工程需求。在这个领域中，二维过渡金属二硫化物（TMDs）作为一类具有极大潜力的纳米材料，引起了广泛的关注。TMDs是由过渡金属层和硫原子层交替排列而成的二维晶格结构，拥有出色的电学、光学和力学性质，使其在电子器件、能源存储和催化领域具有广泛的应用前景。

在TMDs的催化领域，特别是在电催化中，铂（Pt）是一种备受推崇的催化剂材料，因其出色的电催化性能而备受青睐。然而，传统的铂催化剂通常是以铂纳米颗粒的形式存在的，这些纳米颗粒在电催化反应中表现出出色的催化性能，但也存在一些不容忽视的问题，如稳定性和原料成本。因此，寻找新的方法来改善铂催化剂的性能，并降低其使用成本，一直是研究人员关注的重要问题之一。

近年来，研究人员提出了一种有望解决上述问题的新思路，即将铂单原子分散在TMD材料的表面，以形成单原子分散铂催化剂。与传统的铂纳米颗粒相比，单原子分散铂催化剂具有更高的原子利用率、更高的催化性能和更优越的稳定性，这使它们成为电催化和其他催化反应的理想选择。

然而，要成功制备单原子分散铂催化剂，需要解决一系列复杂的科学问题。其中之一是如何选择合适的TMD晶相以实现单原子分散铂的有效负载。不同的TMD晶相可能会影响铂的生长方式和原子分散度，从而直接影响催化性能。然而，TMD晶相如何影响次生材料的生长尚不清楚，尤其是对催化剂开发而言非常重要。以Pt纳米颗粒在二维MoS₂纳米片上作为产氢反应的电催化剂为例，仅有大约三分之二的Pt纳米颗粒是在由金属/半金属1T/1T′相组成但混有热力学稳定且电导性差的2H相的MoS₂模板上外延生长的。

【成果掠影】

鉴于此，香港城市大学化学系张华教授和伦敦帝国理工学院化学系Anthony R. J. Kucernak教授等人联合报道了二维过渡金属二硫化物（TMDs）的晶相对于催化材料生长的影响，特别关注了Pt纳米颗粒在用作电催化剂的二维MoS₂纳米片上的生长过程。TMD材料广泛用于多种应用，包括纳米材料构建和支持金属催化剂制备。然而，目前我们对TMD晶相如何影响次生材料生长的理解仍然有限，特别是对于催化剂开发而言。本研究的关键创新点在于成功制备了高相纯度的1T′-MoS₂上纳米片，并展示了2H相模板促进了铂纳米颗粒的外延生长，而1T′相则支持了负载铂的单原子分散结构。通过密度泛函理论计算，我们还发现在1T′-MoS₂上，负载的铂原子占据三个不同的位置，这可能有助于在酸性介质中高效的电催化氢气析出反应。这项研究结果为设计高性能催化剂提供了有价值的洞察力，并在酸性介质中取得了卓越的电催化性能，为未来重要反应的催化剂研发提供了新的思路。相关研究成果以“Phase-dependent growth of Pt on MoS₂for highly efficient H₂evolution”为题，发表在顶级期刊《Nature》上。

【核心创新点】

本文的核心创新点是成功制备了单原子分散的铂催化剂（s-Pt）并将其负载在MoS₂纳米片上，实现了在酸性介质中具有卓越性能的氢气析出反应（HER）催化活性，同时保持了长期的稳定性和高电流密度。

【数据概览】

图1.制备和表征剥离的1T′-MoS₂纳米片。a，制备1T′-MoS₂纳米片的示意图，从KxMoS₂晶体通过电化学插层（步骤1）和随后的剥离（步骤2）。b、c，剥离的1T′-MoS₂纳米片的透射电子显微镜（TEM）图像（b）和原子力显微镜（AFM）图像（c）。c，1T′-MoS₂纳米片的高度剖面和测得的厚度（插图）。d，通过AFM测得的1T′-MoS₂纳米片的厚度分布直方图（1.4 nm是平均厚度，0.4 nm是标准差）。e，典型1T′-MoS₂纳米片的HAADF-STEM图像。插图显示了相应的快速傅立叶变换图案。f，剥离的1T′-MoS₂纳米片和1T′-MoS₂纳米片的XPS光谱。实验XPS数据和相应的分解光谱分别由空心点和实线曲线表示。g，剥离的1T′-MoS₂纳米片和1T′-MoS₂纳米片的拉曼光谱。

图2. s-Pt/1T′-MoS₂的结构表征a，s-Pt/1T′-MoS₂的TEM图像。插图显示了相应的选区电子衍射（SAED）图案。b，s-Pt/1T′-MoS₂的STEM图像以及相应的EDS元素分布图。c，s-Pt/1T′-MoS₂的原子分辨率HAADF-STEM图像，显示了孤立的Pt单原子分散在1T′-MoS₂纳米片上。白色虚线矩形框圈出了三种单原子分散的Pt，分别标记为Pt_sub、P_tads-S和P_tads-Mo。d-f，模拟的原子结构（d(i)–f(i)），相应的模拟STEM图像（d(ii)–f(ii)）以及强度剖面（d(iii)–f(iii)）Pt_sub（d），Pt_ads-S（e）和Pt_ads-Mo（f）。d(i)–f(i)中的黄色、蓝色和红色小球分别表示S、Mo和Pt原子。d(iii)–f(iii)中模拟强度剖面的虚线曲线取自相应的模拟STEM图像（d(ii)–f(ii)）中的相应白色虚线矩形框中。d(iii)–f(iii)中的实验强度剖面的直方图取自c中相应的白色虚线矩形框中。

图3. s-Pt/1T′-MoS₂的电子结构表征a,b，s-Pt/1T′-MoS₂的Pt L₃-边X射线吸收精细结构（XANES）（a）和傅里叶变换的扩展X射线吸收精细结构（EXAFS）光谱（b）。FT，傅里叶变换。c,d，s-Pt1T′-MoS₂和PtNPs/2H-MoS₂的Pt 4f（c）和Mo 3d XPS光谱（d）。c和d中的空心点和曲线显示了实验XPS数据和相应的分解光谱。

图4.电催化制氢的测量a，漂浮电极设置的示意图。b，s-Pt/1T′-MoS₂（E1）和HiSPEC 9100 Pt/C（E2）的HER极化曲线，插图显示了s-Pt/1T′-MoS₂的循环伏安图。c，s-Pt/1T′-MoS₂（E1）和HiSPEC 9100 Pt/C（E2）的HER极化曲线，显示了质量标准化电流密度。d，s-Pt/1T′-MoS₂和HiSPEC 9100 Pt/C在过电位为-50 mV（η = -50 mV）时的质量活性与先前报道的Pt基电催化剂的比较。d中s-Pt/1T′-MoS₂和HiSPEC 9100 Pt/C的误差棒是从三批浮动电极（即s-Pt/1T′-MoS₂的E1、E3和E5以及HiSPEC 9100 Pt/C的E2、E4和E6）上的独立HER测量中获得的标准偏差。e，s-Pt/1T′-MoS₂的质量活性和相应的拟合结果，以对数电流刻度绘制。拟合同时针对s-Pt/1T′-MoS2的三个浮动电极（E1、E3和E5）上的数据进行。f，HiSPEC 9100 Pt/C的质量活性和相应的拟合结果，以对数电流刻度绘制。拟合同时针对HiSPEC 9100 Pt/C的三个浮动电极（E2、E4和E6）上的数据进行。g，s-Pt/1T′-MoS₂和HiSPEC 9100 Pt/C的j_0,mass与通过不同技术测量的先前报道的电催化剂进行比较。

05. 成果启示

本研究探讨了二维过渡金属二硫化物（TMDs）的晶相对于催化材料生长的影响，特别关注了铂纳米颗粒在用作电催化剂的二维MoS₂纳米片上的生长过程。TMD材料广泛用于多种应用，包括纳米材料构建和支持金属催化剂制备。然而，目前我们对TMD晶相如何影响次生材料生长的理解仍然有限，特别是对于催化剂开发而言。本研究的关键创新点在于成功制备了高相纯度的1T′-MoS₂纳米片，并展示了2H相模板促进了铂纳米颗粒的外延生长，而1T′相则支持了负载铂的单原子分散结构。通过密度泛函理论计算，我们还发现在1T′-MoS₂上，负载的铂原子占据三个不同的位置，这可能有助于在酸性介质中高效的电催化氢气析出反应。这项研究结果为设计高性能催化剂提供了有价值的洞察力，并在酸性介质中取得了卓越的电催化性能，为未来重要反应的催化剂研发提供了新的思路。

原文详情：

Shi, Z., Zhang, X., Lin, X. et al. Phase-dependent growth of Pt on MoS2 for highly efficient H2 evolution. Nature 621, 300–305 (2023).https://doi.org/10.1038/s41586-023-06339-3.

本文由Andy供稿。