JPCL快讯 | 单体电化学方法揭示单个薄层MoS₂磁性与HER性能的相关性

以下文章来源于ACS材料X ，作者ACS Publications

英文原题：Understanding Correlation between Magnetism and Electrocatalytic Hydrogen Evolution Based on Intrinsic Properties of Single MoS2 Entity

通讯作者：马巍，华东理工大学

作者：孙泽晖、赵世鸣、顾志皓

背景介绍

作为二维过渡金属硫化物的典型代表，二硫化钼（MoS2）因其丰富的地球资源、出色的催化潜力和显著的稳定性，在电催化领域引起了广泛关注。薄层MoS2具有优异的面内电子迁移率，低层间势垒和高暴露活性边缘，有利于电催化析氢反应（HER）过程中的电子转移动力学。此外，这些边缘丰富的薄层MoS2还可能表现出不同于块状MoS2的独特磁性。通过减少MoS2的层数，暴露出更多的活性硫空位和边缘位点，MoS2将发生由非磁性到铁磁性的转变。所以了解和控制薄层MoS2的HER性能与磁性之间的相互作用，可以为设计高效的二维电催化剂指明方向。目前，许多测量手段是在整体水平上获得薄层MoS2的平均化特性，它们无法将MoS2的磁学性能和电催化活性与其特定结构联系起来。因此，量化单个MoS2的内在特性对于阐明其结构与活性的相关性至关重要。

图1. 在外加磁场的条件下对单个MoS2进行电化学测量的示意图。

快讯亮点

近日，华东理工大学马巍教授课题组利用高分辨的单体电化学方法研究了单个MoS2磁性与HER性能的相关性，取得如下实验发现：

（1）定量了单个薄层MoS2在有磁场和无磁场条件下的HER本征活性；

（2）双层MoS2显示出最高的HER性能和最大的磁性增强（约300%）；

（3）大量暴露的边缘位点和硫空位加快了双层MoS2的HER反应动力学并增强了其铁磁性能。

内容介绍

本工作采用了一种简便的低温介导液相剥离法，并结合梯度离心步骤，制备出了双层，三层和多层MoS2（图2a-d）。MoS2的磁响应与其层数有关，随着层数和尺寸的减小，MoS2的铁磁性逐渐增强（图2e）。其中，剥离样品中磁性最强的是双层MoS2，这可归因于剥离的MoS2导致其晶界上富含具有缺陷结构的不饱和边缘原子。同时，图2f显示了三种MoS2薄片在有无外部磁场（约250 mT）作用下的极化曲线，其中双层MoS2表现出最佳的HER性能。

图2.（a）多层，（b）三层和（c）双层MoS2的TEM图像；MoS2的拉曼光谱（d）和磁滞曲线（e）；(f) 三种MoS2在有无外部磁场条件下的极化曲线。

进一步，研究团队采用单体电化学方法研究了单个薄层MoS2的本征HER活性和磁学性能。结果显示，尽管多层和三层MoS2具有更大的几何面积，但单个双层MoS2却显示出最高的HER性能，约为21.68 pA（图3a-c）。同时，在外部磁场的作用下，三层MoS2和双层MoS2的电流幅值分别增加了大约两倍（图3e）和三倍（图3f）。这种单个薄层MoS2的HER性能增强效应被归因于外加磁场引发了磁性MoS2的不可逆聚集，由于双层MoS2存在大量缺陷边缘，所以其表现出最强的磁响应特征。

图3. 单个多层（a），三层（b）和（c）双层MoS2在开启和关闭磁场下的电流-时间曲线；(d-f）薄层MoS2相应电流幅值的分布直方图。

总结/展望

该工作基于高灵敏度的单体电化学方法，观察到单个薄层MoS2在有无磁场条件下层数依赖的HER行为和磁性特征。通过量化单个薄层MoS2的HER电催化特性，可以进一步估算出薄层MoS2磁性与层数的关系。本文的研究结果显示了理解MoS2材料的磁学性能与电催化活性之间联系的重要性，为设计高效的二维纳米材料电催化剂提供了进一步的启示。

相关论文发表在JPC Letters上，华东理工大学博士研究生孙泽晖与硕士研究生赵世鸣为文章的共同第一作者，马巍教授为通讯作者。

转自：“ACS美国化学会”微信公众号

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