Advanced Functional Materials:模板辅助合成用于析氢反应的金属性1T’-Sn0.3W0.7S2纳米片

从丰富的资源中开发低成本、高效的析氢反应(HER)催化剂是许多清洁能源项目的重点。近年来,二维(2D)层状金属硫属化合物(LMD)由于具有超薄的结构与大的比表面积和充分暴露的原子在催化领域得到极大关注,改善基于LMDs催化剂的HER性能主要有两个策略包括:i)增加活性位点的数量;ii)增强其导电性。为了获得更多的活性位点,可以进行掺杂工程,形貌工程和缺陷工程。而在材料基面引入应力,与导电材料协同或与基底耦合等方法已被广泛地利用来加速电荷转移来增加导电性。但合成具有高密度活性位点,优异的电导率和高产率的高效HER的LMD催化剂仍然是一项巨大的挑战。

在LMD中,金属配位可以从三棱柱形(2H相)变为八面体(1T相)和扭曲的八面体(1T′相)。亚稳定(例如T-MoS2,T’-MoS2)和金属性(例如T-TaS2,T-ReS2)材料因其较高的本征导电性而有望成为有效的HER催化剂。然而,由于各相位之间的能量差异较大、纯相的结构不稳定性和低产率,限制了亚稳定相和金属性2D材料的应用。因此,需要开发一种可靠且通用的方法来生产亚稳态相晶体(T′相)。将杂金属原子合并在稳定的T相材料中,不仅可以诱导能级简并以获得T’相,还可以实现半导体到金属的转变并在固液界面提供有效的电荷转移。对于大规模制备亚稳定金属性2D LMD,化学气相沉积的生长是一个扩散介导的过程,这会导致热力学稳定相的形成。相比之下,液相生长在相对较低的温度下是一种更理想的以反应动力学为主的方法,并且具有保持亚稳相稳定性的优点。而且,通过合并金属杂原子实现亚稳态相晶体结构的报道几乎很少,控制晶体相位结构仍然是精确合成不同相位二维层状材料的巨大挑战。

湖南大学刘松教授课题组和冯页新教授课题组合作,理论计算表明,以稳定的1T-SnS2为模板,合并W原子,得到亚稳态T’相结构,这一过程也诱导了半导体到金属的过渡。Sn1−xWxS2合金增加了HER的氢吸附和电子传递。因此利用1T-SnS2为模板,通过液相合成法制备了多种成分的2D金属Sn1−xWxS2合金。其中,Sn0.3W0.7S2合金具有扭曲的八面体配位1T’相晶格,T’相浓度高达81%,在HER中具有最大的性能。添加炭黑后,Sn0.3W0.7S2合金的HER活性是SnS2的215倍以上,从而导致158 mV的低起始电势和81 mV dec-1的低Tafel斜率。经过30000 s和3000次循环后稳定性较好,样品形貌保持稳定。因此,具有晶格畸变的金属亚稳态1T’相Sn0.3W0.7S2具有大量的催化活性位点,使得电子在基底平面上快速转移,显著提高了其性能。研究者相信以稳定的T’相材料为模板,通过模板辅助掺杂金属原子合成的高导电金属T’相材料为制备合成高效催化剂提供了另一种途径,导电材料的引入也为提高其性能提供了一种策略。相关成果以题为“Template-Assisted Synthesis of Metallic 1T′-Sn0.3W0.7S2 Nanosheets for Hydrogen Evolution Reaction”发表在了Advanced Functional Materials (DOI: 10.1002/adfm.201906069)上。