傅強(qiáng)

(a)單片微納器件三電極HER測試原理圖；(b)不同背柵下單片MoS2的I-V曲線；(c) HER測試過程中的單片VSe2的原位I-V曲線；(d, e)不同背柵電壓下單片VSe2的HER極化曲線及相應(yīng)的Tafel曲線；(f)不同背柵電壓下VSe2起始過電位和Tafel斜率

在多相催化中，固體表面的催化性質(zhì)本質(zhì)上是由其電子結(jié)構(gòu)特別是價電子結(jié)構(gòu)決定的。例如不同元素或化合物具有各不相同的本征電子性質(zhì)，因此在催化性能上表現(xiàn)出巨大的差異。而對于特定的固體材料，其電子結(jié)構(gòu)調(diào)變可以通過改變組分、形貌、晶相、尺寸等方式實現(xiàn)。由此近年來發(fā)展出多種催化調(diào)控的重要方法和策略，包括納米催化、單原子催化、形貌催化、限域催化、晶相催化等1。眾所周知，固體材料的電子結(jié)構(gòu)和性質(zhì)還可以通過光、電、磁等外場進(jìn)行更加有效的調(diào)變，因此借助于外場作用實現(xiàn)電子結(jié)構(gòu)調(diào)變和催化調(diào)控，將為催化研究開辟新的方向。

在諸多外場作用中電場是調(diào)變固體材料電子結(jié)構(gòu)簡單而有效的方式之一。通過施加外電場可以改變載流子濃度、費(fèi)米能級位置、態(tài)密度分布等。已有研究表明電場作用對于高效酶催化反應(yīng)至關(guān)重要2，在多相催化中活性中心處引入電場也可以顯著增強(qiáng)催化性能3,4。因此利用電場作用進(jìn)行催化調(diào)控將是一個重要且有效的催化調(diào)變新方法。武漢理工大學(xué)材料復(fù)合新技術(shù)國家重點實驗室麥立強(qiáng)教授課題組近年來一直致力于基于單根納米線和單個納米片的微納器件進(jìn)行電催化反應(yīng)的調(diào)控研究，他們構(gòu)建具有微納尺度的場效應(yīng)晶體管器件(Field Effect Transistor/FET)，通過施加電場來有效調(diào)變電極材料的電子特性，并進(jìn)一步發(fā)現(xiàn)該電極材料的催化性能得到有效增強(qiáng)；相關(guān)研究取得系列進(jìn)展并發(fā)表在最近的Adνanced Materials和Nano Letters雜志上5,6。

他們選擇二維過渡金屬硫?qū)倩衔?，二硫化鉬(MoS2)和二硒化釩(VSe2)為研究對象，在硅基板上組裝了單片微納器件?；谶@個平臺進(jìn)一步對MoS2或 VSe2納米片施加垂直方向的外電場，并研究外電場作用下納米片的電催化析氫反應(yīng)(HER)優(yōu)化機(jī)理。研究發(fā)現(xiàn)對于半導(dǎo)體相的 MoS2納米片，外電場作用可以顯著降低金屬電極與納米片之間的接觸電阻，進(jìn)而促進(jìn)電子的輸運(yùn)過程，最終實現(xiàn)電催化性能的提高5。外加電場影響接觸電阻的同時還會影響電解液中的離子分布，而離子分布對電催化過程的影響尚不清晰。該課題組選取了金屬性的VSe2納米片作為研究對象。由于其金屬特性，這一材料在外加電場作用下，其電導(dǎo)率并不受影響。但是進(jìn)一步的電化學(xué)阻抗譜數(shù)據(jù)表明，通過施加背柵電場，VSe2材料在催化過程中的氫離子的吸附時間常數(shù)由2.5 × 10-3s降低至5.0 × 10-4s，這意味著電荷轉(zhuǎn)移過程的加快。同時起峰電位由126 mV降低至70 mV6，催化性能得到了大幅提高。

該系列研究工作巧妙地利用物理中場效應(yīng)器件進(jìn)行電場調(diào)控電極材料的電學(xué)性質(zhì)并進(jìn)一步調(diào)變催化特性，這些研究結(jié)果為非貴金屬催化劑的性能優(yōu)化提出了一個全新的策略及研究方法，對于非貴金屬電催化劑的研究具有重要意義。

(1) Yang, F.; Deng, D.; Pan, X.; Fu, Q.; Bao, X. Νatl. Sci. Reν. 2015, 2 (2),183. doi： 10.1093/nsr/nwv024

(2) Fried, S. D.; Boxer, S. G. Annu. Reν. Biochem. 2017, 86, 387.doi： 10.1146/annurev-biochem-061516-044432

(3) Aragonès, A. C.; Haworth, N. L.; Darwish, N.; Ciampi, S.; Bloomfield,N. J.; Wallace, G. G.; Diez-Perez, I.; Coote, M. L. Νature 2016, 531(7592), 88. doi： 10.1038/nature16989

(4) Liu, M.; Pang, Y.; Zhang, B.; De Luna, P.; Voznyy, O.; Xu, J.; Zheng,X.; Dinh, C. T.; Fan, F.; Cao, C. Νature 2016, 537, 382.doi： 10.1038/nature19060

(5) Wang, J.; Yan, M.; Zhao, K.; Liao, X.; Wang, P.; Pan, X.; Yang, W.;Mai, L. Adν. Mater. 2017, 29 (7), doi： 10.1002/adma.201604464

(6) Yan, M.; Pan, X.; Wang, P.; Chen, F.; He, L.; Jiang, G.; Wang, J.;Liu, J. Z.; Xu, X.; Liao, X.; Yang, J.; Mai, L. Νano Lett. 2017,17, 4109. doi： 10.1021/acs.nanolett.7b00855