叶汝全，何其远，罗光富 ACS Nano：杂原子掺杂二维催化剂的边界效应用于高效析氢

Original 王文彬等科学材料站

文章信息

第一作者：王文彬，宋云，柯承轩

通讯作者：叶汝全*，何其远*，罗光富*

单位：香港城市大学，南方科技大学

研究背景

组分调控和边界富集被广泛用来改善二维材料电子结构和催化性能。因为二维材料的大比表面积和容易调控的特点，杂原子掺杂可以通过活化化学惰性的基面来提高二维材料的催化活性。此外，二维材料展现出边界倾向的催化活性。提高二维材料的边界密度也是促进二维材料催化性能的手段之一。然而，掺杂原子如何影响二维材料边缘的催化活性仍然不明确。

本文通过片上催化微器件来检测磷掺杂二硫化钼纳米片(P-MoS₂)的析氢活性证明了P-MoS₂的催化活性得到提高，并且边界具有比基面更高的催化活性。同时，原位监测表明P-MoS₂的性能提升源于活性提高而非电荷转移。理论计算进一步证明了这一发现。利用这一发现，我们通过同时进行组分调控和边界富集设计了有着极好催化性能的MoS₂催化剂用于析氢反应。本文揭示了由杂原子掺杂引起的二维材料的边缘活性，为开发高效二维材料电催化系统提供了指导。

文章简介

基于此，来自香港城市大学的叶汝全教授，何其远教授和南方科技大学的罗光富教授合作，在国际知名期刊ACS Nano上发表题为“Filling the Gap between Heteroatom Doping and Edge Enrichment of 2D Electrocatalysts for Enhanced Hydrogen Evolution”的研究文章。该文章分析了二维催化剂中杂原子掺杂对其边界和基面的电化学活性的影响，并设计了一种基于MoS₂的高性能催化剂。

图1. 磷掺杂硫化钼基面和边界的电催化析氢活性

本文要点

要点一：杂原子掺杂对于二维催化剂基面和边界的活性影响

杂原子掺杂和边界富集都是提高二维催化剂活性的重要手段。但是氮原子掺杂对于二维催化剂边界的活性影响尚不清晰。使用片上催化微器件来选择性地暴露磷掺杂二硫化钼(P-MoS₂)的基面和边界来进行活性研究。实验发现，P-MoS₂同MoS₂相比，其催化活性得到明显提升，体现出杂原子掺杂的作用。

同时，P-MoS₂和MoS₂一样展现出边界倾向的电化学析氢活性，即边界比基面的活性更高。此外，利用片上催化微器件进行的原位转移测试表明，P-MoS₂相较于MoS₂提升的活性来源于其本征活性的提升而非电荷转移效率的提升。原位转移测试还直接表明了P-MoS₂的p型掺杂。

要点二：杂原子掺杂对二维催化剂活性影响的理论分析

为了验证杂原子掺杂二维材料的边界效应，我们进一步对P-MoS₂的基面和边界进行了电催化析氢活性的理论研究。通过密度泛函理论分析，我们发现P-MoS₂的S端zigzag边界和Mo端zigzag边界相比于基面来说，都拥有更低的氢吸附能和析氢势垒，即拥有更好的催化析氢活性。同时，理论分析还表明P-MoS₂相较于MoS₂，拥有更高的催化活性。

要点三：基于杂原子掺杂和边界效应设计的高效催化剂

通过片上电催化微器件的研究和理论分析，杂原子掺杂的二维催化剂的边界拥有更好的催化活性。因此增加杂原子掺杂二维催化剂的边界会更进一步提升其性能。基于此，我们设计了一种P-MoS₂粉末催化剂，其同样展现出边界倾向的催化活性。通过调控其组分，我们得到了边界富集P-MoS₂高效催化剂，其在0.5M H₂SO₄ 中表现出30 mV的起始地位和48 mV/dec 的Tafel斜率，是现今基于MoS₂催化剂的最好性能之一。

文章链接

Filling the Gap between Heteroatom Doping and Edge Enrichment of 2D Electrocatalysts for Enhanced Hydrogen Evolution

https://pubs.acs.org/doi/10.1021/acsnano.2c09423

通讯作者简介

叶汝全教授简介：于2012年获得香港科技大学化学学士学位，在唐本忠教授的指导下从事荧光分子研究。在James M. Tour教授的指导下，他于2017年获得莱斯大学化学博士学位。在研究生学习期间，他开发了纳米材料合成的新方法，并在催化和光物理方面应用。之后，他在麻省理工学院与Karthish Manthiram教授一起从事电化学二氧化碳减排和研究。2018年作为助理教授加入香港城市大学。曾在Nat. Chem., Nat. Commun., Adv. Mater., Nano Lett., ACS Nano等发表论文逾80篇。

课题组主页：https://yeruquan.wixsite.com/website

何其远教授简介：2005年获武汉大学应用化学学士学位，2008年获复旦大学高分子物理与化学硕士学位，2013年获新加坡南洋理工大学材料科学与工程博士学位。随后，他加入加州大学洛杉矶分校担任博士后，并于2016年返回南洋理工大学担任研究员。2019年作为助理教授加入香港城市大学。他的研究兴趣是材料科学、化学和电子学的高度跨学科。

目前的研究领域包括纳米电子器件、化学/生物传感器、薄膜电子学、二维半导体和片上微电化学。他在Nature， Nat. Chem., Nat. Mater., Nat. Electron., Adv. Mater., Nano Latt., ACS Nano等权威期刊上发表了100多篇研究论文，超过22000次引用，h指数为52。他被多次授予年度跨领域高被引研究人员(科睿唯安)。

罗光富教授：天津大学应用物理专业学士，北京大学凝聚态物理专业博士。先后在日本分子研究所、美国威斯康星大学麦迪逊分校、美国圣路易斯华盛顿大学从事科研工作。其材料计算设计课题组（CMD group）主要从事材料的第一性原理计算工作，利用量子力学方法和高性能计算机，研究先进功能材料（如能源材料、半导体器件材料）的失效机制和稳定性提升，以及理论计算方法的改进等。

相关工作与国内外多个实验室建立了紧密的合作关系。目前已在包括Nature Materials, Advanced Materials, Nano Letters, NPG Asia Materials等杂志上发表论文60余篇。

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