我院李敏杰副教授与北京大学材料学院张艳锋教授合作在电催化水解析氢催化纳米材料研究方面取得新进展。该成果于2022年10月以“Controllable Growth and Defect Engineering of Vertical PtSe₂ Nanosheets for Electrocatalytic Hydrogen Evolution”为题发表在高水平国际学术期刊ACS Energy Letters (IF 23.991，中科院1区)上。第一作者为我院2020级硕士研究生陈康。

导读

二维（2D）PtSe₂因其催化活性高、导电性及化学稳定性良好等特点在能源等领域受到广泛关注。然而，在传统平面基底上合成的二维PtSe₂纳米片活性位点仅限于边缘位置。

该研究通过常压化学气相沉积法（APCVD）在纳米多孔金基底上直接合成具有丰富边缘活性位点的三维垂直取向1T-PtSe₂纳米片，成功实现了高密度、垂直取向1T-PtSe₂纳米片的可控制备。1T-PtSe₂纳米片独特的垂直结构具有丰富的活性位点和优异的电子传输性能，使其具有较高的电催化HER性能。更重要的是，我们开发了一种Ar⁺溅射方法，可引入大量的表面缺陷（如Se空位、低价Pt），以进一步提高惰性基面的电催化活性。这种垂直取向、富含缺陷的1T-PtSe₂纳米片应用于电催化析氢反应中具有较低的Tafel斜率、非常高的交换电流密度以及在大电流密度下有良好的长程稳定性。

该研究为引入三维导电基底合成垂直取向的二维层状过渡金属硫属化物 (TMDCs)纳米片开辟了一条新的途径。并且，通过在基面构造独特的三维结构和缺陷工程，为大幅度提高基于TMDCs的电催化剂的HER性能提供了新的思路。

图1. 垂直PtSe₂纳米片的可控制备及催化析氢反应

原文链接  https://doi.org/10.1021/acsenergylett.2c01810

主要内容

本工作开发了一种简便的前驱体预沉积方法，使得铂源在反应中得到充足的供应。在合适的前驱体浓度（PtCl₂/HCl∼17.4 mmol/L）和最佳的生长条件（600℃，5 min）下，成功制备出了垂直结构的二硒化铂纳米片。

图2通过常压化学气相沉积法（APCVD）在多孔金（NPG）基底上合成三维垂直PtSe₂纳米片

将在多孔金上制备得到的垂直二硒化铂纳米片直接用于电催化析氢反应，实验结果发现其具有较低的塔菲尔斜率~53.4 mV dec⁻¹，很高的交换电流密度~191.54 μA cm⁻² 以及很好的稳定性。

图3 1T-PtSe₂/NPG在HER中的电催化性能

进一步利用氩离子束溅射制备的PtSe₂纳米片，通过透射电子显微镜（TEM）和X射线光电子能谱（XPS）表征发现，经氩离子束处理的样品表面引入了缺陷（形成了PtSe_x和Pt原子团簇），而且缺陷随着氩离子处理时间的增长而逐渐增加。

图4 Ar⁺溅射处理后的1T-PtSe₂垂直纳米片的光谱和TEM表征

电化学测试结果表明，经Ar⁺溅射处理后的垂直PtSe₂纳米片的析氢性能得到了进一步的优化，具有更低的塔菲尔斜率~41.6 mV dec⁻¹，超高的交换电流密度~750.78 μA cm⁻²以及在大电流密度下有很好的长程稳定性。其析氢性能超过了已报道过的大多数析氢催化剂材料。

图5原始与Ar⁺溅射处理过的1T-PtSe₂垂直纳米片的电催化HER性能

该工作得到国家自然科学基金(21878302，51925201，T2188101)，国家开放研究基金（KF202011），以及中国博士后科学基金（2021M690195）的支持。

作者简介

第一作者：

陈康，2020级硕士研究生，中国计量大学质量与安全工程学院、环境与健康科学研究院在读，研究方向为电解水析氢催化剂材料的合成及应用研究。主持中国计量大学第25届学生科研计划项目“化学气相沉积法可控制备二硒化铂/多孔金催化材料提高电解水析氢效率的研究”，参与国家自然科学基金面上项目“离子液体强化3D二硫化钼催化电解水析氢的调控机理研究”。

共一作者：

郇亚欢，博士后在站（北京大学），2020年在北京科技大学取得博士学位。主要从事二维过渡金属硫属化合物及其异质结构的可控制备、新奇物理化学性质等研究，及其在电子和能源领域的应用探索，目前以第一作者身份在Advanced Materials, Journal of the American Chemical Society, ACS Nano, Journal of The Electrochemical Society, Chinese Science Bulletin, Energy Technology, Accounts of Materials Research等学术期刊发表论文8篇。

通讯作者：

李敏杰，博士，副教授，硕士生导师，中国计量大学质量与安全工程学院环境工程专业、中国计量大学环境与健康科学研究院教师。2009年获得日本东北大学理学博士学位。先后在中国科学院生态环境研究中心（2011-2013）、北京大学（2013-2015）完成两站博士后研究工作。曾任齐齐哈尔大学讲师、副教授，中国科学院过程工程研究所副研究员等职。2018年11月调入中国计量大学任副教授至今。主要从事环境内分泌干扰物的生物传感识别，环境污染物的内分泌干扰效应与毒理学机制，药品和个人护理品污染物的识别与控制，水解析氢纳米催化材料的制备与应用等方面的基础研究工作。在JACS、EST、ACS sensors、Green Chemistry、Science of the Total Environment等期刊发表论文30余篇。作为课题负责人主持了科技部重点研发计划子课题、国家自然科学基金委面上及青年基金项目，作为主要参与人承担浙江省重点研发计划项目、国家自然科学基金委面上及青年基金项目等，承担科研项目10余项。

张艳锋，博士，北京大学材料科学与工程学院教授，博士生导师。2012年获得国家优秀青年科学基金资助，2015年入选教育部长江学者计划“青年项目“，2019年获得国家杰出青年科学基金资助。2005年于中国科学院物理研究所获博士学位，师从薛其坤院士。2006–2009年在日本东北大学多元物质科学研究所进行博士后研究，担任JSPS研究员。2010年回国担任北京大学工学院研究员。主要从事石墨烯等二维层状材料的可控制备、精密表征和应用探索，在二维量子薄膜、二维层状材料（石墨烯、氮化硼、单层过渡族金属硫属化合物）及其异质结构的可控制备/构筑、精密表征和新奇物理化学特性等方面取得了系列创新性成果。近五年来作为课题负责人主持了科技部重点研发计划，科技部量子调控重大项目子课题、国家自然科学基金重大项目子课题、优秀青年科学基金、面上项目等多项科研项目。迄今在Science、Nature Communications、Advanced Materials等期刊发表论文220余篇；在国内外学术会议上做邀请报告20余次。曾获中国科学院杰出科技成就奖、全国百篇优秀博士学位论文、北京大学宝洁教师奖(2015)、北京大学优秀博士学位论文指导教师(2017)，教育部长江学者奖励计划-青年学者等奖励。