四校聯合Nature Commun：Frenkel缺陷單層MoS2用于高效催化析氫

導? 讀

缺陷工程是提高二維二硫化鉬基面電催化析氫活性的有效策略。本文報道了一種Frenkel缺陷的單層MoS₂催化劑，其中MoS₂中的一部分Mo原子自發地離開原本在晶格中的位置，因在晶格附近停留產生空位，而成為間隙態原子。通過在MoS₂表面引入了獨特的電荷分布，間隙態的Mo原子更有利于H的吸附，從而極大地促進了單層MoS₂基面的HER活性。在電流密度為10 mA cm^?2時，最優的Frenkel缺陷單層MoS₂的過電位(164 mV)低于原始單層MoS₂表面平面(358 mV)或pt單原子摻雜MoS₂ (211 mV)的過電位。這項工作為點狀缺陷MoS₂的結構和性能關系提供了深入的見解，并強調了Frenkel缺陷在調節MoS₂材料催化性能方面的優勢。

成果掠影

近日，湖南大學劉松教授，華東理工大學戴升教授，蘇州大學李彥光教授、天津理工大學羅俊教授等人聯合設計并合成了一種Frenkel缺陷的單層MoS₂催化劑，其中間隙Mo原子的原子構型及原子空位通過球差校正掃描透射電子顯微鏡和其他光譜表征被揭曉。微電化學性能測試了不同缺陷結構的電催化析氫性能，密度泛函理論 (DFT) 計算揭示了 MoS₂中 Frenkel 缺陷引入的獨特電荷分布和 H 吸附位點。這些發現證明了 Frenkel 缺陷在調整 2D 材料的 HER 性能方面的優勢，明顯優于 Pt 單原子摻雜的 2D 催化劑。該研究成果以題為“Frenkel-defected monolayer MoS₂?catalysts for?efficient hydrogen evolution”發表于Nature Communications上。

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核心創新點

1. 設計并合成Frenkel缺陷的單層MoS₂催化劑，調節Mo原子的位置，使其與晶格產生間隙，進而增強Mo原子的吸附氫能力，進而提高該催化劑的催化析氫性能。
2. 通過理論計算更深入地揭示了Frenkel缺陷的單層MoS₂催化劑高效析氫的機理。
3. 該研究表明了Frenkel缺陷修飾結構在調節MoS₂催化性能中的優勢，同時為研究點缺陷MoS₂催化劑材料的結構-性質關系提供了深入的見解。

數據概覽

圖1? FD-MoS₂的制備及結構表征 ? 2022 The Authors

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圖 2? 基于 MoS?₂的催化劑的 AC-STEM 表征?? 2022 The Authors

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圖3 ?利用微電化學裝置(微反應器)對二硫化鉬催化劑進行HER測量及性能研究?? 2022 The Authors

圖4? 單層原始MoS?₂、FD-MoS?₂和Pt-MoS?₂的表面電荷密度分布和HER催化活性的DFT計算結果?? 2022 The Authors

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成果啟示

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該項研究設計和合成了一種Frenkel缺陷單層MoS₂催化劑，并通過球差校正掃描透射電子顯微鏡 (AC-STEM)觀察揭示了MoS₂中Frenkel缺陷的原子構型。根據采用微反應器的電化學測試，與原始的MoS₂和Pt-MoS₂催化劑相比，FD-MoS₂顯示出增強的HER活性。密度泛函理論計算(DFT)計算揭示了MoS₂中Frenkel缺陷的存在引入的獨特電荷分布，改變了H吸附位點并為FD-MoS₂提供了適度的H*吸附能.?這項工作不僅深入了解了點缺陷MoS₂材料的結構-性能關系，而且在原子水平上為二維電化學催化劑的設計提供了一種有效且經濟的缺陷工程策略。

文獻鏈接：https://doi.org/10.1038/s41467-022-29929-7