Nature Communications：单原子Co引起MoS2相转变

氢(H₂)作为一种零排放的可再生能源，能有效缓解日趋严重的环境问题。其中水催化分解产氢是目前产氢最有效的途径之一。在催化剂的选择中铂(Pt)是析氢反应(HER)最有效的催化剂。然而，Pt的高成本和有限的地球丰度限制了其大规模应用。因此寻找高性能的非贵金属催化剂是目前的关键。考虑到原子级分散的催化剂具有非常优异的原子利用率，能有效曝露更多的活性位点，作者通过电化学方法，将单原子Co通过Co-S共价键结合在了扭曲的1T MoS₂纳米片上。该催化剂在酸性电解液中具有类Pt的HER活性，过电位仅为42mV，Tafel斜率低至32 mV dec^-1。

近日，吉林大学的崔小强，郑伟涛和北京大学的郭少军等研究人员在Nature Communications期刊上在线发表了题为“Single-atom cobalt array bound to distorted 1T MoS₂ with ensemble effect for hydrogen evolution catalysis”的最新研究成果。作者报道了一种界面催化剂其在酸性电解液中具有类Pt的HER活性。该界面催化剂由原子钴与扭曲的1T MoS₂纳米片共价结合组成(SA Co-D 1T MoS₂)。晶格失配引起的应变以及Co ND与2H MoS₂纳米片之间共价Co-S键的形成被认为是MoS₂从2H转变为D-1T相的主要原因。DFT计算证实，该单原子催化剂的高HER活性主要归因于MoS₂(111)载体中Co原子和S的协同作用，改变了催化剂的H吸附模式。

图1. a) SA Co-D 1T MoS₂合成方法示意图; b) SA Co-D 1T MoS₂像差校正的HAADF-STEM图; c) b图中红色区域的放大图; d,e) 理论模型和使用QSTEM仿真软件模拟的STEM图; f) SA Co-D 1T MoS₂和Co箔的FT-EXAFS光谱; g) SA Co-D 1T MoS₂的Co K-edge XANES

复合催化剂中Co的原子分散以及MoS₂的相转变通过HAADF-STEM得到了有效观察。通过图1c,d,e可以看出在SA Co-D 1T MoS₂与2H MoS₂之间存在明显的界面。此外利用EXAFS和XANES技术对SA Co-D 1T MoS₂中Co的配位环境进行了观察（图1f,g）。EXAFS图谱证实了Co-S键的存在，此外通过建立SA Co-D 1T MoS₂模型并模拟出其XANES光谱与实验值进行比对，进一步得出了Co是位于Mo原子的上方而不是替代Mo。

图2. a) MoS₂, Co NDs/MoS₂和SA Co-D 1T MoS₂的拉曼光谱图; b,c) SA Co-D 1T MoS₂和MoS₂的Mo L₃-edge和K-edge XANES光谱; d) SA Co-D 1T MoS₂制备过程中Mo K-edge EXAFS光谱变化; e,f) MoS₂相转变前后表面结合状态变化; g,h) Co原子层与不同相的MoS₂结合时的理论原子结构; i) 与Co原子层结合的MoS₂的能量与Co-Co距离的关系

通过拉曼光谱中新峰的出现(图2a), Mo L₃-edge XANES光谱的偏移(图2b), Mo K-edge EXAFS的强度变化(图2d)以及MoS₂相转变前后表面Mo 3d XPS光谱变化(图2e,f)进一步证实了MoS₂从2H相向D-1T相转变。此外通过DFT理论计算对MoS₂相转变机理进行了探讨(图2g-i)证实了共价Co-S键的形成被认为是MoS₂从2H转变为D-1T相的主要原因

图3. a) 不同催化剂在氩气饱和的硫酸溶液中的极化曲线; b) 催化剂的塔菲尔曲线; c) 不同催化剂材料HER活性比较; d) SA Co-D 1T MoS₂10000圈CV循环后的极化曲线图; e) SA Co-D 1T MoS₂稳定性测试; f) 不同状态MoS₂的HER极化曲线图

接下来对该材料的性能进行了检测，该催化剂在酸性电解液中具有类Pt的HER活性，过电位仅为42mV(图3a)，Tafel斜率低至32 mVdec^-1(图3b)超过了目前报道的非P催化剂(图3c)，且具有非常优异的稳定性。

图4. a)不同覆盖度下计算出的Co 3d的PDOS图; b) 不同Co负载量样品的HER吉布斯自由能变化图; c) H吸附模式图; d) 电子差分密度图; e) Co和与Co毗邻的S的电子电荷与Co覆盖度的关系图

DFT计算对SA Co-D 1T MoS₂优异的性能进行了分析，该单原子催化剂的高HER活性主要归因于MoS₂(111)载体中Co原子和S的协同作用，改变了H的吸附模式。

作者通过自上向下的组装/浸出策略合成出了独特设计的单原子阵列催化剂SA Co-D 1T MoS₂。在组装过程中，由晶格失配引起的应变以及Co ND与2H MoS2纳米片之间共价Co-S键的形成被认为是MoS₂从2H转变为D-1T相的主要原因。活性位点阻断实验表明，SA Co-D 1T MoS₂中的单原子Co是主要的催化中心。DFT计算证实，该单原子催化剂的高HER活性主要归因于MoS₂(111)载体中Co原子和S的协同作用，改变了H的吸附模式。该催化剂的发现突出了在原子尺度上调节金属TMD催化剂的结构和功能的重要性，为催化剂的大规模应用提供了新思路。

文献信息：

Single-atom cobalt array bound to distorted 1T MoS₂ with ensemble effect for hydrogen evolution catalysis (Nature Communications, 2019, https://doi.org/10.1038/s41467-019-12997-7)

原文链接：https://www.nature.com/articles/s41467-019-12997-7#article-info