基于场效应器件的外场催化调控研究

傅强

(a)单片微纳器件三电极HER测试原理图；(b)不同背栅下单片MoS2的I-V曲线；(c) HER测试过程中的单片VSe2的原位I-V曲线；(d, e)不同背栅电压下单片VSe2的HER极化曲线及相应的Tafel曲线；(f)不同背栅电压下VSe2起始过电位和Tafel斜率

在多相催化中，固体表面的催化性质本质上是由其电子结构特别是价电子结构决定的。例如不同元素或化合物具有各不相同的本征电子性质，因此在催化性能上表现出巨大的差异。而对于特定的固体材料，其电子结构调变可以通过改变组分、形貌、晶相、尺寸等方式实现。由此近年来发展出多种催化调控的重要方法和策略，包括纳米催化、单原子催化、形貌催化、限域催化、晶相催化等1。众所周知，固体材料的电子结构和性质还可以通过光、电、磁等外场进行更加有效的调变，因此借助于外场作用实现电子结构调变和催化调控，将为催化研究开辟新的方向。

在诸多外场作用中电场是调变固体材料电子结构简单而有效的方式之一。通过施加外电场可以改变载流子浓度、费米能级位置、态密度分布等。已有研究表明电场作用对于高效酶催化反应至关重要2，在多相催化中活性中心处引入电场也可以显著增强催化性能3,4。因此利用电场作用进行催化调控将是一个重要且有效的催化调变新方法。武汉理工大学材料复合新技术国家重点实验室麦立强教授课题组近年来一直致力于基于单根纳米线和单个纳米片的微纳器件进行电催化反应的调控研究，他们构建具有微纳尺度的场效应晶体管器件(Field Effect Transistor/FET)，通过施加电场来有效调变电极材料的电子特性，并进一步发现该电极材料的催化性能得到有效增强；相关研究取得系列进展并发表在最近的Adνanced Materials和Nano Letters杂志上5,6。

他们选择二维过渡金属硫属化合物，二硫化钼(MoS2)和二硒化钒(VSe2)为研究对象，在硅基板上组装了单片微纳器件。基于这个平台进一步对MoS2或 VSe2纳米片施加垂直方向的外电场，并研究外电场作用下纳米片的电催化析氢反应(HER)优化机理。研究发现对于半导体相的 MoS2纳米片，外电场作用可以显著降低金属电极与纳米片之间的接触电阻，进而促进电子的输运过程，最终实现电催化性能的提高5。外加电场影响接触电阻的同时还会影响电解液中的离子分布，而离子分布对电催化过程的影响尚不清晰。该课题组选取了金属性的VSe2纳米片作为研究对象。由于其金属特性，这一材料在外加电场作用下，其电导率并不受影响。但是进一步的电化学阻抗谱数据表明，通过施加背栅电场，VSe2材料在催化过程中的氢离子的吸附时间常数由2.5 × 10-3s降低至5.0 × 10-4s，这意味着电荷转移过程的加快。同时起峰电位由126 mV降低至70 mV6，催化性能得到了大幅提高。

该系列研究工作巧妙地利用物理中场效应器件进行电场调控电极材料的电学性质并进一步调变催化特性，这些研究结果为非贵金属催化剂的性能优化提出了一个全新的策略及研究方法，对于非贵金属电催化剂的研究具有重要意义。

(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