工学院张艳锋课题组在天然∙通信等刊物上发表系列紧张研究效果

2017年10月16日，北京大学工学院材料科学与工程系张艳锋研究员课题组在《天然∙通信》（Nature Communications）上发表文章《二维金属性TaS₂：一种电催化析氢反应催化剂》（“Two-dimensional metallic tantalum disulfide as a hydrogen evolution catalyst”），报道了研究组在二维金属性TaS₂薄膜的大面积可控制备和电催化析氢应用方面的最新进展。

金属性过渡金属硫化物（MX₂），分外是由第五副族金属元素形成的MX₂材料，具有磁性、电荷密度波、超导等新奇的物理特征，而其二维限域下的薄层结构被认为是探索这些新奇物性的模型系统，同时也可以应用于柔性透明电极和高效的催化/储能等领域，具有特别很是广阔的应用前景。现有获取二维薄层材料的途径有两种，一是通过化学气相输运获得体相MX₂，随后行使胶带逐层剥离，但存在层厚不可控、畴区尺寸小、无法实现规模化制备等题目。另一种方法是借助高端的分子束外延方法，实现层厚的正确控制，然而该方法依靠价格高昂的仪器设备，且制备服从较低。

课题组基于前期在二维层状材料化学气相沉积（CVD）方面的长期积累，最近在金属性MX₂材料的可控制备和应用研究方面取得了系列研究进展。在传统的SiO₂基底上成功地获得了厚度为几个纳米、面内尺寸达到几十微米的1T-VS₂纳米片，并将其作为超级电容器的电极材料，在水相电解质中实现了高达8.6×

最近，张艳锋研究员课题组引入低压化学气相沉积（LPCVD）的方法，在金箔基底上首次可控制备了厘米尺寸均匀、具有幻数厚度的高质量2H-TaS₂薄膜（4层）。透射电子显微镜表征（TEM）表现薄膜具有特别很是高的晶体质量，与机械剥离样品可比。此外，他们也选用常压CVD（APCVD）的生长方法，在金箔上制备了层数可调的高质量2H-TaS₂纳米片。根据温度依靠的Raman光谱表征效果，确定了不同厚度材料的电荷密度波从公度到近公度的相变化温度，进而绘制出了2H-TaS₂电荷密度波相变温度随层数转变的相图。更为紧张的是，他们行使2H-TaS₂畴区边缘和外观雄厚的电催化活性位点，外延材料和金属基底优秀的界面耦合，以及催化过程中纳米片的形貌重整效应，获得了截至目前MX₂系统中电催化析氢服从最接近贵金属Pt的效果，塔菲尔斜率为33～42 mV/dec，交换电流密度高达100～179.47 µA/cm²。该研究为金属性MX₂材料的可控制备、正确表征和现实应用方向的开拓提供了紧张的实验依据。总之，纳米尺度的金属性MX₂材料具有超高的比外观积、雄厚的边缘活性位点、优秀的导电特征、层间相对弱的范德华相互作用等优秀的特征，将来在能源的存储和转化领域具有特别很是广阔的应用前景。

这些工作得到了中科院物理所谷林研究员、北京大学物理学院吴孝松研究员、国家纳米中间刘新风研究员、湖北大学王喜娜教授、北京大学工学院张青研究员，以及北京大学化学与分子工程学院刘忠范教授等的共同努力和支撑。该工作得到科技部重点研发计划、国家天然科学基金、北京市科委以及清华大学低维量子物理国家重点实验室开放基金等的资助。

左图为金箔上用LPCVD法制备2H-TaS₂薄膜的示意图、电催化析氢反应示意图，以及样品的高分辨TEM图像；右图为VS₂纳米片的OM图像，以及其作为单层MoS₂器件电极的示意图。

编辑：安宁