SIOC English
化学学报
高级检索

化学学报 >

2015 , Vol. 73 >Issue 9: 877 - 885

DOI: https://doi.org/10.6023/A15030157

研究评论

金箔上单层MoS2的控制生长及电催化析氢应用

  • 史建平 ,
  • 马冬林 ,
  • 张艳锋 ,
  • 刘忠范
展开
  • a 北京大学工学院材料科学与工程系 北京 100871;
    b 北京大学化学与分子工程学院纳米化学研究中心 北京市低维碳材料科学与工程技术研究中心 北京 100871

收稿日期: 2015-03-06

  网络出版日期: 2015-07-09

基金资助

项目受国家自然科学基金(Nos. 51222201, 51290272, 51472008, 51072004, 51121091, 51432002)和国家重点基础研究发展计划(Nos. 2011CB921903, 2012CB921404, 2012CB933404, 2013CB932603, 2011CB933003)资助.

收起

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

  • Shi Jianping ,
  • Ma Donglin ,
  • Zhang Yanfeng ,
  • Liu Zhongfan
Expand
  • a Department of Materials Science and Engineering, College of Engineering, Peking University, Beijing 100871;
    b Center for Nanochemistry CNC, Beijing Science and Engineering Center for Nanocarbons, College of Chemistry and Molecular Engineering, Peking University, Beijing 100871

Received date: 2015-03-06

  Online published: 2015-07-09

Supported by

Project supported by the National Natural Science Foundation of China (Nos. 51222201, 51290272, 51472008, 51072004, 51121091, 51432002) and the National Basic Research Program of China (Nos. 2011CB921903, 2012CB921404, 2012CB933404, 2013CB932603, 2011CB933003).

Fold

摘要

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

本文引用格式

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 . DOI: 10.6023/A15030157

Abstract

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

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.

Options
文章导航

/

〈 〉