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近日，中國科學(xué)技術(shù)大學(xué)國家同步輻射實(shí)驗(yàn)室閆文盛教授團(tuán)隊(duì)與孫治湖副教授，韋世強(qiáng)教授團(tuán)隊(duì)合作，通過Co離子摻雜在單層MoS2中引入長程鐵磁性，進(jìn)而活化基面惰性原子的策略，制備出了單原子層催化劑。研究成果以“Single-atom-layer catalysis in MoS2 monolayer activated by long-range ferromagnetism: beyond the single-atom catalysis”為題發(fā)表在著名學(xué)術(shù)期刊《德國應(yīng)用化學(xué)》上（Angew. Chem. Int. Ed. 2021,doi.org/10.1002/anie.202014968）。

近年來，單原子催化劑（Single-atom catalysts）由于其優(yōu)異的性能得到了人們的廣泛關(guān)注。但是，單原子催化劑較低的負(fù)載量成為限制其實(shí)際應(yīng)用的發(fā)展瓶頸?；诙S單層晶體的天然結(jié)構(gòu)優(yōu)勢發(fā)展的單原子層催化劑（Single-atom-layer catalysts）為解決這一發(fā)展瓶頸問題提供了有效方案。然而，二維單層晶體通常只有邊界位點(diǎn)具有催化活性，而基面原子是惰性的。單層MoS2由于空間反演對稱性的破缺具有較強(qiáng)的自旋軌道耦合，如果實(shí)現(xiàn)其長程鐵磁性，將會增加d電子的去局域特征，從而使基面的大部分S原子被激活（圖1）。

該團(tuán)隊(duì)利用先前在單層二維材料中，實(shí)現(xiàn)的過渡金屬替代位摻雜方法（Nature commun. 2019, 10, 1584），在單層MoS2中引入了本征室溫鐵磁性。在此基礎(chǔ)上，原位同步輻射顯微紅外光譜和電化學(xué)測試進(jìn)一步表明，該策略可以活化單層Co-MoS2中50%以上的基面S原子用于析氫反應(yīng)（HER）。單個(gè)基面位點(diǎn)的活性與邊緣位點(diǎn)的活性相當(dāng)。電化學(xué)微電池器件（On-chip micro-cell）測試結(jié)果顯示，伴隨著基面活性位點(diǎn)密度的顯著增加，Co-MoS2單層的質(zhì)量活性達(dá)到28571 A g-1，比多層膜高出兩個(gè)數(shù)量級（圖2）。而且，該單原子層催化劑的交換電流密度為75mA cm-2，超過了目前報(bào)道的大多數(shù)MoS2基催化劑。實(shí)驗(yàn)表征和理論計(jì)算結(jié)果顯示，大部分基面S原子被活化是由于d電子的去局域化特性和費(fèi)米能級附近S-p電子密度的增加導(dǎo)致S原子氫吸附能力提升所致。

該項(xiàng)研究得到了國家重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃、國家自然科學(xué)基金、合肥大科學(xué)中心高端用戶培育基金和中國博士后科學(xué)基金等基金資助。

圖1 長程鐵磁性激活基面原子的示意圖

圖2 電化學(xué)微電池測量結(jié)果以及原位同步輻射紅外光譜表征

論文鏈接：https://onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1002/anie.202014968

（國家同步輻射實(shí)驗(yàn)室、科研部）