Cell子刊Joule：原位拉曼、單原子構筑Janus型催化劑

　　最近，南京大學物理學院吳興龍教授課題組在電致應力誘導雙金屬Janus納米片發生結構扭曲實現高效電催化產氫研究方面取得重要進展，最新研究成果以“Electric Strain in Dual Metal Janus Nanosheets Induces Structural Phase Transition for Efficient Hydrogen Evolution”為題發表在Cell 旗下新增重要刊物Joule (2019, 3, 586)。物理學院博士生扶瑤、曉莊學院副教授單云、河海大學副教授周鋼為該論文共同第一作者，吳興龍教授、劉力哲副教授和河海大學副教授周鋼為該論文共同通訊作者。

　　利用電催化技術通過水分子裂解獲取清潔氫能源是解決當前環境污染和能源危機的有效策略，因此，開發價格低廉、性能優異的新型催化劑成為新能源領域的研究熱點和重點。過渡金屬硫族化合物由于其儲量豐富價格低廉等優勢而備受關注，然而其催化性能卻無法達到預期的效果。為了增強催化劑性能，研究者已經提出了大量關于微結構調控的策略，但是眾所周知電催化產氫性能強烈依賴于催化劑的本征物理特性。基于以上考慮，吳興龍教授課題組創新地設計了一套利用納米材料自身特有的非對稱特性產生的自發極化調控載流子的二次分布，從而利用載流子非對稱分布產生的結構應力觸發催化劑材料結構相變，以實現高效電催化產氫。

圖1 T’-T”結構相變原位拉曼表征

　　研究團隊通過配位自組裝的方法，將半層的Td相ReS₂鍵合到畸變的T相MoS₂層去形成一種新型的具有反對稱面外結構的Janus （雙面神）MoReS₃ 的T’相結構，此結構易受外加電場影響產生結構轉變，形成能快速實現載流子轉移和同時具有更高催化活性的新T”相結構。通過原位拉曼檢測E_2g和A_1g模，發現在1.3V電壓下E_2g和A_1g分別發生偏移和消失，證明了復合MoReS_3-納米片產生了從T’到T”的結構轉變。理論計算表明，特有的結構非對稱引起的自發極化使得載流子滯留到ReS₂/MoS₂ 界面產生電致應力，由此有效地降低了T’到T”的相變勢壘，施加很小電壓即可實現電子結構調控。此種僅依靠電極電壓實現催化劑微結構和物理特性的調控方法，為新型多功能電極設計提供了可能。

圖2 電催化性能測試

　　通過對表面硫（S）位點的DFT計算，發現S位點的活性隨著相變程度的增加成線性變化，隨著T’ (0 %) 到T”（100%）的轉變，吉布斯自由能ΔGH線性降低，最終接近0 eV，具備優異的催化活性。電催化性能測試發現，T’到T”的相變使得體系有更高的電導率和本征催化活性，電催化產氫效率明顯提高，在189 mV的過電勢下，其電流密度可達150 mA cm^-2，可和商用的Pt/C電極相媲美。理論計算和實驗分析都表明該催化劑遵循Volmer-Heyrovsky反應機制。該項工作不僅深化了水裂解與微結構調控之間的反應動力學過程，而且為利用單原子構筑Janus型催化劑提供了新的研究思路。

　　該項研究得到了微結構科學與技術協同創新中心支持，國家重點研發計劃、國家自然科學基金委、江蘇省自然科學基金、中央高校基本科研業務費等項目資助。