【动态】澳门大学潘晖教授团队：缺陷工程增强WS2纳米片电催化析氢活性

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氢气(H₂)由于具有高能量密度、可再生性以及无污染等优势，被认为是未来最有希望替代传统化石燃料的能源载体之一。

在众多制氢技术中，电解水析氢已成为目前最有前途的绿色制氢技术，具有较高的能源效率和环境友好性。而在氢析出反应（HER）过程中，催化剂起到了至关重要的作用。

作为二维过渡金属硫化物中的一员，二硫化钨(WS₂)因其高丰度和高性价比而受到人们的特别关注，并表现出令人印象深刻的电催化活性。

然而，惰性的基面和有限的边缘活性位点限制了WS₂在电催化析氢领域中的应用。为了提高WS₂的催化性能，研究人员提出了许多解决策略，例如：调节结构和形态、金属/非金属原子掺杂、与碳材料或电活性材料复合以及缺陷工程等。其中一种有效的策略是在WS₂基面创造缺陷，以这些缺陷作为新的催化活性位点，进而改善WS₂的电催化活性。

此外，研究表明：超薄纳米片的表面原子容易从晶格中逃逸，形成空位，从而导致缺陷的产生。而硫空位的生成能较低，可以人工制造。因此，寻找一种简单而有效的方法来制备含有硫空位的WS₂纳米片得到了研究人员的广泛关注。

有鉴于此，澳门大学潘晖教授课题组采用高温氢气焙烧策略制备出具有可控硫空位的WS₂纳米片，该策略可使超细纳米片的活性位点增加，从而提高其电催化析氢活性。

研究人员首先通过水热法在碳布基底上生长出超薄的WS₂纳米片，然后在氢气/氩气混合气气氛下，将制备的纳米片在不用的温度下焙烧，最终获得具有不同硫空位密度的WS₂纳米片。

研究人员通过调节硫空位的密度，可以极大地提高WS₂纳米片在酸性以及碱性条件下的电催化析氢性能，包括更低的过电势和更小的塔菲尔斜率，而且稳定性明显得到改善。

图1 硫空位对WS₂电催化析氢性能以及ΔG_H∗的影响示意图

理论计算发现通过调节硫空位的密度，可以使吸附氢的吉布斯自由能ΔG_H∗接近热中性条件。实验和计算结果的一致性使我们相信，该研究为设计具有优异催化性能的二维材料提供了一种有效和通用的方法。

相关结果发表在ChemCatChem, 2019, 11, 2667-2675

作者：Dr. Qing Zhu, Dr. Wenzhou Chen, Dr. Hua Cheng, Prof. Zhouguang Lu, and Prof. Hui Pan*