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NanoRes.[催化]│哈工大(深圳)李锴锴/港科大(广州)张统一:基于醚类电解液的少层MoS₂的可控制备及其催化析氢性能研究

本篇文章版权为石秀玲所有,未经授权禁止转载。

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背景介绍


二硫化钼是一种典型的层状过渡金属硫化物,其独特的结构是由共价键或离子键结合的层内和由弱范德华力结合的层与层之间组成的。其自然稳定相为具有三重对称的六角形晶格,层与层之间按照ABA堆垛,金属原子为三棱柱配位,称为2H-MoS2相。少层的二硫化钼在电子器件、电催化和光催化、储氢、储能等领域都具有很大的应用潜力。传统的机械剥离很难精确控制层数,而传统的离子插层剥离需要使用危险的正丁基锂,这些策略不易操作且容易发生安全事故,故而找到一种简单高效的方法精确剥离MoS2是很有意义的。


成果简介


本研究开发了一种简单且可控的方法,通过电化学方法在醚基电解液中将锂离子嵌入到二硫化钼的层间,以此将块体二硫化钼剥离成少层纳米片。与一般使用的酯基电解液不同,在醚类电解液中,Li+和醚类小分子会发生共嵌入,形成超晶格结构,并使得二硫化钼从2H相逐渐转变成1T相。这种超晶格的形成使MoS2在一个很宽的电压窗口内维持其层状结构,从而避免了由于锂离子嵌入导致的转化反应的发生,实现少层二硫化钼纳米片的可控制备。当在0.3 V(vs.Li/Li+)下共嵌入并进行剥离,可以得到一种主要由1T相组成的高质量双层二硫化钼纳米片。该双层1T-MoS2纳米片在酸性介质中,表现出比原始的2H-MoS2更好的HER性能。作者所提出的二硫化钼剥离方法有望扩展到其它过渡金属硫化物的剥离。


图文导读


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图1原始二硫化钼的形貌和结构。(a-b)扫描电镜图像。(c-d)TEM和HRTEM图像。(e) XRD图谱。(f)2H-MoS2和1T-MoS2的晶体结构。


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图2二硫化钼在醚基和酯基电解质中电化学过程中的演化机制。(a)酯基电解质和(c)醚基电解质中的放电曲线和相应的原位XRD图谱。(b)酯基电解质中10 ~ 30°和(d)醚电解质中10 ~ 30°范围内的XRD。二硫化钼在(e)酯基电解液和(f)醚基电解液中的相变机理示意图。


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图3在醚基电解质中锂化后二硫化钼的剥离。将块体二硫化钼放电至(a-b)0.8 V、(c-d)0.6 V、(e-f)0.45 V和(g-h)0.3V后进行分散剥离后的TEM和HRTEM图像。(i)原始状态和不同电压下剥离后的二硫化钼的紫外可见光谱分析(原始二硫化钼和1D-0.80 V的光谱有重叠)。(j)放电至0.3 V后,剥离的二硫化钼的AFM图像和相应的厚度分析。


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图4原始块体2H-MoS2(B-MoS2)和双层1T-MoS2纳米片(E-MoS2)的电催化性能。(a)基于电极几何面积的极化曲线。(b) Tafel曲线。(c)双电层电容Cdl。(d)基于电化学活性面积的极化曲线。(e)电化学阻抗曲线。(f)在1000个HER循环前后的过电位比较。


作者简介


第一作者简介:

石秀玲,哈尔滨工业大学(深圳)在读博士,师承张统一院士。研究方向包括储能电池电极材料的改性与设计,相变与应变机制等研究;储能体系具体涉及到锂/钠/钾/锌离子电池;共计发表一作论文7篇。


通讯作者简介:

张统一,中国科学院院士,材料科学与固体力学专家,香港科技大学(广州)讲座教授,上海大学材料基因组工程研究院创院院长,我国材料基因组工程、材料信息学和力学信息学的推动者,中国材料学会材料基因组工程分会首任主任。曾任香港科技大学讲座教授、方氏冠名教授,国际断裂学会副主席,远东及大洋洲断裂学会副主席。近年来在国际和国内大力推动材料信息学并首提力学信息学新概念;倡导融合专家知识的数据驱动新材料发现,材料正向设计和逆向设计相结合的新理念;呼吁发展以数据为中枢,向上支撑新材料研发和创新,向下加快产业制造生产智能化和信息化的新模式。


李锴锴,哈尔滨工业大学(深圳)材料科学与工程学院助理教授,主要研究方向为能源材料的基础与应用基础研究,致力于通过先进原位表征实验方法与第一性原理计算、理论分析等相结合,揭示能源材料的相变机理、热力学与动力学、力学及其与材料电化学性能之间的关系,进而为新型能源材料的设计与研发提供指导,在Nat.Commun.、EES等期刊发表论文40余篇。


文章信息


Shi X, Lin D, Xiao Z, et al. Exfoliation of bulk 2H-MoS2 into bilayer 1T-phase nanosheets via ether-induced superlattices. Nano Research, 2024, https://doi.org/10.1007/s12274-024-6446-3.




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