王翔/任斌/谭平恒Nature Catalysis：MoS2电催化析氢反应中单个活性位点的可视化结构演变

第一作者：Teng-Xiang Huang, Xin Cong

通讯作者：王翔，任斌，谭平恒

通讯单位：厦门大学，中国科学院半导体研究所

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本研究通过电化学尖端增强拉曼光谱（EC-TERS）技术，首次实现了对二硫化钼（MoS₂）在电催化析氢反应（HER）中活性位点的原位、高空间分辨率的监测。

研究结果表明，边缘位点的晶格重构和电子结构变化对电催化性能有重要影响。在电化学活化过程中，边缘位点经历了显著的物理化学性质变化，包括拉伸应变的增加和电荷密度的提高，这些变化有助于增强HER活性。

此外，研究还发现，活化处理后，边缘位点的晶格重构区域（LRR）和电子跃迁区域（ETR）的大小显著增加，这表明活性位点周围的协同重构对电催化性能有积极影响。

这些发现为理解和设计高性能电催化剂提供了新的视角和策略，特别是在非贵金属催化剂的开发和优化方面具有重要意义。未来，随着EC-TERS技术的进一步发展，研究者将能够更深入地探究活性位点与反应中间体的相互作用，以及活性位点在催化过程中的动态演变，从而推动电催化领域的进步。

图文导读

图1展示了通过电化学尖端增强拉曼光谱（EC-TERS）测量MoS₂片层在析氢反应（HER）中催化活性（即边缘位点）和非活性（即基面位点）的拉曼信号的实验设置。

图中包括了机械剥离的双层MoS₂片层在原子级平滑的金膜上的原子力显微镜（AFM）图像，以及在不同电位下基面和边缘的EC-TERS光谱。

图2通过EC-TERS展示了MoS₂在HER过程中的光谱。

图中展示了基面和边缘的EC-TERS光谱随电位变化的情况，以及两种拉曼模式（A1g和2LA(K–M)）的峰位和强度随电位的变化趋势。

图3揭示了边缘引起的晶格重构区域（LRR）和电子跃迁区域（ETR）。

图中展示了通过EC-TERS线成像技术获得的双层MoS₂边缘的线迹图，以及在不同HER状态下LRR和ETR的长度变化。

图4通过EC-TERS研究了MoS₂在电化学活化过程中的变化。

图中展示了双层MoS₂边缘和基面在电化学活化前后的TERS光谱，以及活化前后边缘的线迹TERS光谱强度变化。

图5 总结了在不同状态下原子级薄MoS₂边缘的结构演变。

图中展示了原始MoS₂、活化后的MoS₂以及在HER过程中的MoS₂边缘的结构变化，包括电子密度和晶格结构的变化，以及这些变化对电催化活性的影响。

总结展望

本研究的亮点在于首次使用EC-TERS技术实时监测了MoS₂在电催化析氢反应中的活性位点的结构演变。

研究结果表明，边缘位点的晶格重构和电子密度变化对于降低活化能垒和促进电催化反应具有重要作用。此外，电化学激活过程可以显著改变边缘位点的物理化学性质，从而提高催化活性。

这些发现不仅为理解电催化剂的工作机制提供了新的视角，也为设计和优化高性能电催化剂提供了重要的理论依据。

文献信息

标题：Visualizing the structural evolution of individual active sites in MoS2 during electrocatalytic hydrogen evolution reaction

期刊：Nature Catalysis

DOI：10.1038/s41929-024-01148-x