Controllable Growth of MoS2 on Au Foils and Its Application in Hydrogen Evolution
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).
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.
Shi Jianping , Ma Donglin , Zhang Yanfeng , Liu Zhongfan . Controllable Growth of MoS2 on Au Foils and Its Application in Hydrogen Evolution[J]. Acta Chimica Sinica, 2015 , 73(9) : 877 -885 . DOI: 10.6023/A15030157
[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.
/
| 〈 |
|
〉 |
