二维金属性TaS2的大面积可控制备和超高电催化析氢效率

杨金龙

中国科学技术大学化学与材料科学学院，合肥 230026

金箔上2H-TaS2薄膜的LPCVD制备过程图、晶格结构表征以及电催化析氢应用示意图

金属性过渡金属硫化物(MX2)具有磁性1、电荷密度波2,3、超导4等新奇的物理特性，而其二维限域下的薄层结构被认为是探索这些新奇物性的模型体系。最近的研究表明，这类二维材料也可以应用于柔性透明电极5和新型的催化/储能等领域，具有非常广阔的应用前景6。获得高质量、层数可控的二维金属性MX2材料是相关研究的关键前提。需要对其生长方法和生长过程进行设计和调控，同时选择合适的基底材料，建立起材料的微观形貌/结构、电学特性，以及实际应用之间的构效关系。现有获取薄层金属性MX2材料的途径有两种，一是通过化学气相输运(CVT)获得体相的材料，随后利用胶带逐层剥离的方法获得其二维结构7。然而，这种方法存在获得的 MX2层厚不可控、畴区尺寸小、制备效率低，无法实现规模化制备等瓶颈问题。另一种方法是借助高端的分子束外延方法，实现 MX2层厚的精确控制，获得单层/少层的样品8。然而这种方法依赖价格高昂的仪器设备、复杂的制备过程，存在生长成本高、效率低，无法实现其规模化制备等问题。因此，大面积/大批量地获得高质量、层数可控的金属性MX2材料是相关领域的关键科学问题。

基于此，最近北京大学张艳锋研究员课题组通过对于化学气相沉积(CVD)生长过程的选择和优化，特别引入低压CVD (LPCVD)的生长方法，基于在半导体性MX2材料制备和表征方面的前期基础，选用对于前驱体(S、Se等)具有良好惰性的金属箔材-金箔作为生长基底，可控制备了厘米尺寸均匀、具有幻数厚度(4层)的高质量2H-TaS2薄膜。透射电子显微镜(TEM)表征显示样品的晶体质量与机械剥离样品可比。与此同时，他们也选用常压CVD (APCVD)的生长方法，在金箔上可控制备了层数可调的高质量 2H-TaS2纳米片。基于温度依赖的Raman光谱表征结果，确定了不同厚度下2H-TaS2的电荷密度波从公度到近公度的相转变温度，进而绘制出了电荷密度波相变温度随层数变化的相图。该相图与利用机械剥离样品获得的相关测试结果高度一致，这也预示着CVD法合成的样品具有非常高的晶体质量，可以用来建立起层厚和物性的直接关联，探索量子限域条件下的新奇物理化学特性。

二维材料理论计算领域的知名专家-美国Rice大学Boris I. Yakobson教授等最新的计算结果表明，2H-TaS2纳米片的表面和边缘均具有高的电催化析氢活性，可以成为二维材料大家族中继半导体性M oS2(畴区边缘有较高的催化活性)之后又一新型的电催化析氢催化剂9。基于此，张艳锋课题组选用金箔上直接制备的 2H-TaS2作为催化剂，利用其丰富的电催化活性位点，外延材料和基底良好的界面耦合，以及电催化反应过程中纳米片的形貌重整效应，获得了超高的电催化析氢效果，塔菲尔斜率为 33–42 mV·dec−1，交换电流密度高达100–179.47 µA·cm−2。值得一提的是，该结果是目前已有报道的金属性MX2体系中电催化析氢效率最接近贵金属Pt的结果。该研究为金属性硫属化合物(特别是 TaS2)的电催化析氢应用提供了重要的实验依据，开拓了该类材料作为新型催化剂的应用方向。总之，纳米尺度的2H-TaS2具有高的比表面积、丰富的边缘活性位点、优异的导电特性、层间相对弱的范德华相互作用等优异的特性，未来在能源的存储和转化领域必将有更广阔的应用前景。

该工作中所报道的利用 CVD法合成的高质量二维金属性 2H-TaS2是最接近理想模型的二维材料体系，既可以实现电荷密度波、超导等新奇物性的探索，也可以作为有可能替代贵金属Pt的新型非金属催化剂，实现高效的电催化析氢应用。该研究与湖北大学物理与电子科学学院王喜娜教授课题组、国家纳米科学中心刘新风研究员课题组和中国科学院物理研究所谷林研究员课题组等合作完成。

该研究工作近期已在Nature Communications上在线发表10。该工作首次报道了二维金属性2HTaS2材料的大面积可控制备，揭示了该类材料在电催化析氢方面的良好应用前景，为进一步探究二维金属性MX2的新奇物性和实际应用提供了新的研究思路。

References

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