金箔上单层MoS2的控制生长及电催化析氢应用

doi:10.6023/A15030157

摘要/Abstract

金属衬底上单层MoS₂的可控批量制备是探索其微观形貌、新奇物理化学特性以及潜在应用的重要前提. 最近, 我们利用低压化学气相沉积的方法, 在多晶金箔上实现了高质量、大面积/大批量、畴区尺寸可调(从几百纳米到几十微米)单层MoS₂的可控制备; 利用低能电子显微/衍射实现了直接生长的单层MoS₂畴区取向和畴区边界的原位识别; 利用金箔上合成的纳米尺寸MoS₂作为电催化析氢反应的催化剂, 实现了高效的析氢效果(塔菲尔斜率约61 mV/dec, 交换电流密度约38.1 μA/cm²). 本文将以这些研究成果为主线, 系统地阐述金箔上单层MoS₂的可控制备和转移、畴区的原位识别以及在电催化析氢反应中的应用, 并对该领域的未来发展趋势和所面临的挑战进行简要的展望.

关键词: 二硫化钼, 金箔, 化学气相沉积, 可控制备, 低能电子衍射, 电催化析氢反应

Controllable synthesis of monolayer MoS₂ on metal substrates is the basic premise for exploring the intrinsic electronic structure, some novel physical properties, and engineering its application in hydrogen evolution reaction (HER). In recent years, we have been working on low-pressure chemical vapor deposition (LPCVD) growth of monolayer MoS₂ on Au foils, with the domain size can be tuned from several hundred nanometers to dozens of microns. By introducing H₂ as carrier gas, we have synthesized large domain monolayer MoS₂ triangular flakes on Au foils, with the edge length approaching to ca. 81 μm. By using low-energy electron microscopy/diffraction (LEEM/LEED) method, the crystal orientations and domain boundaries of monolayer MoS₂ flakes directly on Au foils are further on-site identified. Of particular interest, the nanosized MoS₂ flakes on Au foils are proven to be excellent electrocatalysts for HER, featured by a rather low Tafel slope (ca. 61 mV/dec) and a relative high exchange current density (ca. 38.1 μA/cm²). In this review, we summarized controllable growth and on-site domain boundary imaging of monolayer MoS₂ on Au foils and its application in HER together with a brief discussion on the future directions, challenges and opportunities in this research area.

Key words: molybdenum disulfide, Au foil, chemical vapor deposition, controllable growth, low-energy electron microscopy/diffraction, hydrogen evolution reaction

引用此文

史建平, 马冬林, 张艳锋, 刘忠范. 金箔上单层MoS₂的控制生长及电催化析氢应用[J]. 化学学报, 2015, 73(9): 877-885.

Shi Jianping, Ma Donglin, Zhang Yanfeng, Liu Zhongfan. Controllable Growth of MoS₂ on Au Foils and Its Application in Hydrogen Evolution[J]. Acta Chim. Sinica, 2015, 73(9): 877-885.

导出引用 EndNote|Reference Manager|ProCite|BibTeX|RefWorks

分享此文

参考文献

[1] Wang, Q.; Kalantar-Zadeh, K.; Kis, A.; Coleman, J. N.; Strano, M. S. Nat. Nanotechnol. 2012, 7, 699.
[2] Radisavljevic, B.; Radenovic, A.; Brivio, J.; Giacometti, V.; Kis, A. Nat. Nanotechnol. 2011, 6, 147.
[3] Zeng, H.; Dai, J.; Yao, W.; Xiao, D.; Cui, X. Nat. Nanotechnol. 2012, 7, 490.
[4] Yan, R. S.; Simpson, J. R.; Bertolazzi, S.; Brivio, J.; Watson, M.; Wu, X. F.; Kis, A.; Luo, T. F.; Hight Walker, A. R.; Xing, H. G. ACS Nano 2014, 8, 986.
[5] Bertolazzi, S.; Brivio, J.; Kis, A. ACS Nano 2011, 5, 9703.
[6] Chhowalla, M.; Shin, H. S.; Eda, G.; Li, L.-J.; Loh, K. P.; Zhang, H. Nat. Chem. 2013, 5, 263.
[7] Huang, X.; Zeng, Z.; Zhang, H. Chem. Soc. Rev. 2013, 42, 1934.
[8] Mak, K. F.; Lee, C.; Hone, J.; Shan, J.; Heinz, T. F. Phys. Rev. Lett. 2010, 105, 136805.
[9] Kuc, A.; Zibouche, N.; Heine, T. Phys. Rev. B 2011, 83, 245213.
[10] Mak, K. F.; He, K.; Shan, J.; Heinz, T. F. Nat. Nanotechnol. 2012, 7, 494.
[11] Wu, S. F.; Ross, J. S.; Liu, G.-B.; Aivazian, G.; Jones, A.; Fei, Z. Y.; Zhu, W. G.; Xiao, D.; Yao, W.; Cobden, D.; Xu, X. D. Nat. Phys. 2013, 9, 149.
[12] Cao, T.; Wang, G.; Han, W. P.; Ye, H. Q.; Zhu, C. R.; Shi, J. R.; Niu, Q.; Tang, P. H.; Wang, E. G.; Liu, B. L.; Feng, J. Nat. Commun. 2012, 3, 887.
[13] Coleman. J. N.; Lotya, M.; O'Neill, A.; Bergin, S. D.; King, P. J.; Khan, U.; Young, K.; Gaucher, A.; De, S.; Smith, R. J.; Shvets, I. V.; Arora, S. K.; Stanton, G.; Kim, H.-Y.; Lee, K.; Kim, G. T.; Duesberg, G. S.; Hallam, T.; Boland, J. J.; Wang, J. J.; Donegan, J. F.; Grunlan, J. C.; Moriarty, G.; Shmeliov, A.; Nicholls, R. J.; Perkins, J. M.; Grieveson, E. M.; Theuwissen, K.; McComb, D. W.; Nellist, P. D.; Nicolosi, V. Science 2011, 331, 568.
[14] Smith, R. J.; King, P. J.; Lotya, M.; Wirtz, C.; Khan, U.; Del, S.; O'Neill, A.; Duesberg, G. S.; Grunlan, J. C.; Moriarty, G.; Chen, J.; Wang, J. Z.; Minett, A. I.; Nicolosi, V.; Coleman. J. N. Adv. Mater. 2011, 23, 3944.
[15] Eda, G.; Yamaguchi, H.; Voiry, D.; Fujita, T.; Chen, M. W.; Chhowalla, M. Nano Lett. 2011, 11, 5111.
[16] Cunningham, G.; Lotya, G.; Cucinotta, C. S.; Sanvito, S.; Bergin, S. D.; Menzel, R.; Shaffer, M. S. P.; Coleman, J. N. ACS Nano 2012, 6, 3468.
[17] Li, X. S.; Cai, W. W.; An, J.; Kim, S.; Nah, J.; Yang, D. X.; Piner, R.; Velamakanni, A.; Jung, I.; Tutuc, E.; Banerjee, S. K.; Colombo, L.; Ruoff, R. S. Science 2009, 324, 1312.
[18] Reina, A.; Jia, X.; Ho, J.; Nezich, D.; Son, H.; Bulovic, V.; Dresselhaus, M. S.; Kong, J. Nano Lett. 2008, 9, 30.
[19] Kim, K. S.; Zhao, Y.; Jang, H.; Lee, S. Y.; Kim, J. M.; Kim, K. S.; Ahn, J.-H.; Kim, P.; Choi, J.-Y.; Hong, B. H. Nature 2009, 457, 706.
[20] Zhang, C. H.; Fu, L.; Zhang, Y. F.; Liu, Z. F. Acta Chim. Sinica 2013, 71, 308. (张朝华, 付磊, 张艳锋, 刘忠范, 化学学报, 2013, 71, 308.)
[21] Zou, Z. Y.; Dai, B. Y.; Liu, Z. F. Sci. China, Chem. 2013, 43, 1. (邹志宇, 戴博雅, 刘忠范, 中国科学: 化学, 2013, 43, 1.)
[22] Wang, L.; Gao, J. F.; Ding, F. Acta Chim. Sinica 2014, 72, 345. (王璐, 高峻峰, 丁峰, 化学学报, 2014, 72, 345.)
[23] Chen, J. S.; Wu, B.; Liu, Y. Q. Acta Chim. Sinica 2014, 72, 359. (陈集思, 武斌, 刘云圻, 化学学报, 2014, 72, 359.)
[24] Shi, Y.; Hamsen, C.; Jia, X.; Kim, K. K.; Reina, A.; Hofmann, M.; Hsu, A. L.; Zhang, K.; Li, H.; Juang, Z.-Y.; Dresselhaus, M. S.; Li, L.-J.; Kong, J. Nano Lett. 2010, 10, 4134.
[25] Kim, K. K.; Hsu, A.; Jia, X.; Kim, S. M.; Shi, Y.; Hofmann, M.; Nezich, D.; Rodriguez-Nieva, J. F.; Dresselhaus, M.; Palacios, T.; Kong, J. Nano Lett. 2011, 12, 161.
[26] Sutter, P.; Lahiri, J.; Albrecht, P.; Sutter, E. ACS Nano 2011, 5, 7303.
[27] Zhan, Y. J.; Liu, Z.; Najmaei, S.; Ajayan, P. M.; Lou, J. Small 2012, 8, 966.
[28] Lee, Y.-H.; Zhang, X.-Q.; Zhang, W.; Chang, M.-T.; Lin, C.-T.; Chang, K.-D.; Yu, Y.-C.; Wang, J. T.-W.; Chang, C.-S.; Li, L.-J.; Lin, T.-W. Adv. Mater. 2012, 24, 2320.
[29] Najmaei, S.; Liu, Z.; Zhou, W.; Zou, X.; Shi, G.; Lei, S.; Yakobson, B. I.; Idrobo, J.-C.; Ajayan, P. M.; Lou, J. Nat. Mater. 2013, 12, 754.
[30] van der Zande, A. M.; Huang, P. Y.; Chenet, D. A.; Berkelbach, T. C.; You, Y.; Lee, G.-H.; Heinz, T. F.; Reichman, D. R.; Muller, D. A.; Hone, J. C. Nat. Mater. 2013, 12, 554.
[31] Ji, Q. Q.; Zhang, Y. F.; Gao, T.; Zhang, Y.; Ma, D. L.; Liu, M. X.; Chen, Y. B.; Qiao, X. F.; Tan, P.-H.; Kan, M.; Feng, J.; Sun, Q.; Liu, Z. F. Nano Lett. 2013, 13, 3870.
[32] Zhang, Y.; Zhang, Y. F.; Ji, Q. Q.; Ju, J.; Yuan, H. T.; Shi, J. P.; Gao, T.; Ma, D. L.; Liu, M. X.; Chen, Y. B.; Song, X. J.; Hwang, H. Y.; Cui, Y.; Liu, Z. F. ACS Nano 2013, 7, 8963.
[33] Zhang, Y.; Ji, Q. Q.; Han, G.-F.; Ju, J.; Shi, J. P.; Ma, D. L.; Sun, J. Y.; Zhang, Y. S.; Li, C.; Lang, X.-Y.; Zhang, Y. F.; Liu, Z. F. ACS Nano 2014, 8, 8617.
[34] Shi, J. P.; Ma, D. L.; Han, G.-F.; Zhang, Y.; Ji, Q. Q.; Gao, T.; Sun, J. Y.; Song, X. J.; Li, C.; Zhang, Y. S.; Lang, X.-Y.; Zhang, Y. F.; Liu, Z. F. ACS Nano 2014, 8, 10196.
[35] Shi, J. P.; Yang, Y.; Zhang, Y.; Ma, D. L.; Wei, W.; Ji, Q. Q.; Zhang, Y. S.; Song, X. J.; Gao, T.; Li, C.; Bao, X. H.; Liu, Z. F.; Fu, Q.; Zhang, Y. F. Adv. Funct. Mater. 2015, 25, 842.
[36] Shi, Y.; Zhou, W.; Lu, A.-Y.; Fang, W.; Lee, Y.-H.; Hsu, A. L.; Kim, S. M.; Kim, K. K.; Yang, H. Y.; Li, L.-J.; Idrobo, J.-C.; Kong, J. Nano Lett. 2012, 12, 2784.
[37] Ling, X.; Lee, Y.-H.; Lin, Y.; Fang, W.; Yu, L.; Dresselhaus, M. S.; Kong, J. Nano Lett. 2014, 14, 464.
[38] Helveg, S.; Lauritsen, J. V.; Lægsgaard, E.; Stensgaard, I.; Nørskov, J. K.; Clausen, B.; Topsøe, H.; Besenbacher, F. Phys. Rev. Lett. 2000, 84, 951.
[39] Bollinger, M.; Lauritsen, J.; Jacobsen, K. W.; Nørskov, J. K.; Helveg, S.; Besenbacher, F. Phys. Rev. Lett. 2001, 87, 196803.
[40] Hinnemann, B.; Moses, P. G.; Bonde, J.; Jørgensen, K. P.; Nielsen, J. H.; Horch, S.; Chorkendorff, I.; Nørskov, J. K. J. Am. Chem. Soc. 2005, 127, 5308.
[41] Nørskov, J. K.; Bligaard, T.; Logadottir, A.; Kitchin, J.; Chen, J.; Pandelov, S.; Stimming, U. J. Electrochem. Soc. 2005, 152, J23.
[42] Yu, Y. F.; Huang, S.-Y.; Li, Y. P.; Steinmann, S. N.; Yang, W. T.; Cao, L. Y. Nano Lett. 2014, 14, 553.
[43] Xie, J.; Zhang, J.; Li, S.; Grote, F.; Zhang, X.; Zhang, H.; Wang, R.; Lei, Y.; Pan, B.; Xie, Y. J. Am. Chem. Soc. 2013, 135, 17881.
[44] Wang, H.; Liu, Z.; Xu, S.; Kong, D.; Cha, J. J.; Zheng, G.; Hsu, P.-C.; Yan, K.; Bradsham, D.; Prinz, F. B.; Cui, Y. Proc. Natl. Acad. Sci. U. S. A. 2013, 110, 19701.
[45] Xie, J.; Zhang, H.; Li, S.; Wang, R.; Sun, X; Zhou, M.; Zhou, J.; Lou, X. W. D.; Xie, Y. Adv. Mater. 2013, 25, 5807.
[46] Jaramillo, T. F.; Jørgensen, K. P.; Bonde, J.; Nielsen, J. H.; Horch, S.; Chorkendorff, I. Science 2007, 317, 100.
[47] Kibsgaard, J.; Chen, Z.; Reinecke, B. N.; Jaramillo, T. F. Nat. Mater. 2012, 11, 963.
[48] Li, Y. G.; Wang, H. L.; Xie, L. M.; Liang, Y. Y.; Hong, G. S.; Dai, H. J. J. Am. Chem. Soc. 2011, 133, 7296.
[49] Wang, X.; Feng, H.; Wu, Y.; Jiao, L. J. Am. Chem. Soc. 2013, 135, 5304.
[50] Zhao, Y.; Luo, X.; Li, H.; Zhang, J.; Araujo, P. T.; Gan, C. K.; Wu, J.; Zhang, H.; Quek, S. Y.; Dresselhaus, M. S.; Xiong, Q. H. Nano Lett. 2013, 13, 1007.
[51] Ma, T.; Ren, W. C.; Zhang, X.; Liu, Z.; Gao, Y.; Yin, L.-C.; Ma, X.-L.; Ding, F.; Cheng, H.-M. Proc. Natl. Acad. Sci. U. S. A. 2013, 110, 20386.
[52] Gao, L. B.; Ren, W. C.; Xu, H. L.; Jin, L.; Wang, Z. X.; Ma, T.; Ma, L.-P.; Zhang, Z. Y.; Fu, Q.; Peng, L.-M.; Bao, X. H.; Cheng, H.-M. Nat. Commun. 2012, 3, 699.
[53] Gutiérrez, H. R.; Perea-López, N.; Elías, A. L.; Berkdemir, A.; Wang, B.; Lv, R.; López-Urías, F.; Crespi, V. H.; Terrones, H.; Terrones, M. Nano Lett. 2012, 13, 3447.
[54] Yin, X. B.; Ye, Z. L.; Chenet, D. A.; Ye, Y.; O'Brien, K.; Hone, J. C.; Zhang, X. Science 2014, 344, 488.
[55] Mu, R. T.; Fu, Q.; Jin, L.; Yu, L.; Fang, G. Z.; Tan, D. L.; Bao, X. H. Angew. Chem., Int. Ed. 2012, 51, 4856.
[56] Deng, D. H.; Yu, L.; Chen, X. Q.; Wang, G. X.; Jin, L.; Pan, X. L.; Deng, J.; Sun, G. Q.; Bao, X. H. Angew. Chem., Int. Ed. 2013, 52, 371.
[57] Conway, B.; Tilak, B. Electrochim. Acta 2002, 7, 3571.
[58] Voiry, D.; Salehi, M.; Silva, R.; Fujita, T.; Chen, M. W.; Asefa, T.; Shenoy, V. B.; Eda, G.; Chhowalla, M. Nano Lett. 2013, 13, 6222.
[59] Kong, D. S.; Wang, H. T.; Cha, J. J.; Pasta, M.; Koski, K. J.; Yao, J.; Cui, Y. Nano Lett. 2013, 13, 1341.

金箔上单层MoS₂的控制生长及电催化析氢应用

Controllable Growth of MoS₂ on Au Foils and Its Application in Hydrogen Evolution

PDF

可视化

摘要/Abstract

引用此文

分享此文

参考文献

相关文章 13

编辑推荐

相关统计

本文评价

[1]	赵天成, 蒋鸿宇, 张琨, 徐一帆, 康欣悦, 胥鉴宸, 周旭峰, 陈培宁, 彭慧胜. 基于环烷烃/乙醇混合碳源高性能碳纳米管纤维的连续化制备[J]. 化学学报, 2023, 81(6): 565-571.
[2]	张田, 郭琛, 魏淑贤, 武中华, 韩兆翔, 鲁效庆. 甲硫醇在Co修饰MoS₂团簇边缘位的脱硫机理研究[J]. 化学学报, 2018, 76(1): 62-67.
[3]	罗曼琳, 葛峻羽, 孙文正, 翟慧芳. GaSb纳米线的CVD可控制备及其光学表征[J]. 化学学报, 2016, 74(10): 839-845.
[4]	许冠辰, 卢至行, 张琪, 邱海龙, 焦丽颖. 化学气相沉积法合成二维过渡金属硫族化合物研究进展[J]. 化学学报, 2015, 73(9): 895-901.
[5]	沈成, 张菁, 时东霞, 张广宇. 退火对单层二硫化钼荧光特性的影响[J]. 化学学报, 2015, 73(9): 954-958.
[6]	陈集思, 武斌, 刘云圻. 介电层上石墨烯的制备[J]. 化学学报, 2014, 72(3): 359-366.
[7]	郝锐, 邓霄, 杨毅彪, 陈德勇. ZnO纳米线/棒阵列的水热法制备及应用研究进展[J]. 化学学报, 2014, 72(12): 1199-1208.
[8]	张朝华, 付磊, 张艳锋, 刘忠范. 石墨烯催化生长中的偏析现象及其调控方法[J]. 化学学报, 2013, 71(03): 308-322.
[9]	许乃才, 马向荣, 乔山峰, 袁佳琦, 刘宗怀. 不同晶型和形貌MnO₂纳米材料的可控制备[J]. 化学学报, 2009, 67(22): 2566-2572.
[10]	李学峰,王宏胜,高焕新,陈庆龄. 化学气相沉积法制备Ti/HMS催化剂及甲基接枝改性[J]. 化学学报, 2009, 67(2): 109-114.
[11]	张桃周, 平郑骅. 一种新型的亲水性聚丙烯酸-陶瓷复合膜[J]. 化学学报, 2007, 65(18): 2046-2050.
[12]	夏军保, 徐铸德, 陈卫祥, 郑遗凡, 杜志强. 水热法合成MoS₂/CNT同轴纳米管[J]. 化学学报, 2004, 62(20): 2109-2112.
[13]	闫革新, 刘伟平, 高文桂, 胡昌义, 余巍, 梁广. 三(2,4-戊二酮)合铱(Ⅲ)的热分解行为[J]. 化学学报, 2004, 62(19): 1901-1906.