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Single-Atom Vacancy Defect to Trigger High-Efficiency Hydrogen Evolution of MoS2

空位缺陷 过电位 化学 纳米片 塔菲尔方程 蚀刻(微加工) 催化作用 化学物理 纳米技术 密度泛函理论 物理化学 计算化学 结晶学 电化学 材料科学 电极 有机化学 生物化学 图层(电子)
作者
Xin Wang,Yuwei Zhang,Haonan Si,Qinghua Zhang,Jing Wu,Gao Li,Xiaofu Wei,Yu Sun,Qingliang Liao,Zheng Zhang,Ayesha Kausar,Lin Gu,Zhuo Kang,Yue Zhang
出处
期刊:Journal of the American Chemical Society [American Chemical Society]
卷期号:142 (9): 4298-4308 被引量:871
标识
DOI:10.1021/jacs.9b12113
摘要

Defect engineering is widely applied in transition metal dichalcogenides (TMDs) to achieve electrical, optical, magnetic, and catalytic regulation. Vacancies, regarded as a type of extremely delicate defect, are acknowledged to be effective and flexible in general catalytic modulation. However, the influence of vacancy states in addition to concentration on catalysis still remains vague. Thus, via high throughput calculations, the optimized sulfur vacancy (S-vacancy) state in terms of both concentration and distribution is initially figured out among a series of MoS2 models for the hydrogen evolution reaction (HER). In order to realize it, a facile and mild H2O2 chemical etching strategy is implemented to introduce homogeneously distributed single S-vacancies onto the MoS2 nanosheet surface. By systematic tuning of the etching duration, etching temperature, and etching solution concentration, comprehensive modulation of the S-vacancy state is achieved. The optimal HER performance reaches a Tafel slope of 48 mV dec-1 and an overpotential of 131 mV at a current density of 10 mA cm-2, indicating the superiority of single S-vacancies over agglomerate S-vacancies. This is ascribed to the more effective surface electronic structure engineering as well as the boosted electrical transport properties. By bridging the gap, to some extent, between precise design from theory and practical modulation in experiments, the proposed strategy extends defect engineering to a more sophisticated level to further unlock the potential of catalytic performance enhancement.
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