化學(xué)氣相沉積法制備二硫化鉭薄膜
瀏覽次數(shù)： 342 發(fā)布時(shí)間：2017-10-24 08:47:45 發(fā)布人：editor
二維過渡金屬二硫化物(MTMDC)，例如TiSe21,2,3,4,5,NbSe26,7,8,9，TaS210,11,12,13和TaSe214,15,16，由于其相圖包含超導(dǎo)性，電荷密度波和金屬 -絕緣體轉(zhuǎn)變等特性，受到了學(xué)者們的廣泛關(guān)注。這些獨(dú)特性質(zhì)的產(chǎn)生主要?dú)w因于材料較低的維度和量子限制效應(yīng)的發(fā)生。然而，這類材料如TaS2薄膜一般通過剝離法獲得，難以大批量生產(chǎn)同時(shí)材料的厚度和相區(qū)大小不易控制。近日，有學(xué)者通過化學(xué)氣相沉積法來合成MTMDC材料，使其大批量生產(chǎn)變成了可能，同時(shí)開發(fā)了這種材料在其他領(lǐng)域的使用價(jià)值。
【成果簡介】
近日，北京大學(xué)張艷鋒教授(通訊作者)團(tuán)隊(duì)在Nat.Commun.上發(fā)布了一篇關(guān)于二維材料的文章，題為“Two-dimensional metallic tantalum disulfide as a hydrogen evolution catalyst”。作者運(yùn)用化學(xué)氣相沉積技術(shù)，在金箔的電極材料上制造厚度可調(diào)的二硫化鉭薄片和厘米級的超薄膜，所制備出的樣品與傳統(tǒng)方式得到的薄膜有著同樣高的析氫效率。
研究結(jié)果表明，這項(xiàng)工作可以促進(jìn)MTMDC材料有效催化劑的進(jìn)一步研發(fā)，并將其應(yīng)用于更廣闊的領(lǐng)域。
【圖片導(dǎo)讀】
圖1 2H-TaS2薄膜合成示意圖
(a) 低壓化學(xué)氣相沉積法(LPCVD)制備薄膜的生長過程;
(b) Ta和S的X射線光電子能譜分析(XPS)峰;
(c-e) 三角形狀的TaS2的形成;
(f) 2H-TaS2薄膜的SEM圖像;
(g) 樣品的原子力顯微鏡(AFM)照片;
(h) 生長時(shí)間延長至20分鐘后的SEM圖像;
(i) 薄膜邊緣與初始演變的薄膜有著相同的厚度;
(j) 樣品的光學(xué)顯微鏡(OM)照片。
圖2 六角形2H-TaS2薄膜的生長及表征
(a) 常壓化學(xué)氣相沉積法(APCVD)制備薄膜的生長過程;
(b) Ta和S的X射線光電子能譜分析(XPS)峰;
(c) 樣品XRD圖譜;
(d-g) 樣品的SEM和AFM圖;
(h) 2H-TaS2薄膜厚度隨生長時(shí)間的變化曲線。
圖3 樣品原子結(jié)構(gòu)的TEM圖
(a) 通過LPCVD制備出薄膜的低倍TEM圖;
(b) 沿著薄膜邊緣的放大TEM圖像;
(c-d) 樣品選區(qū)電子衍射 (SAED) 圖;
(e) 樣品原子分辨率TEM圖像;
(f) 在2×2μm2區(qū)域內(nèi)的SAED圖像;
(g) 樣品原子分辨率下的掃描透射電子顯微鏡圖;
(h) 經(jīng)選擇后的傅里葉變換過濾像。
圖4 樣品拉曼光譜表征
(a) 樣品經(jīng)冷卻和加熱后的拉曼光譜;
(b) 拉曼頻率隨著溫度的升高降低而變化;
(c) 樣品的磁滯現(xiàn)象和平均轉(zhuǎn)變溫度;
(d) 2H-TaS2薄膜的厚度-溫度關(guān)系圖;
(e) 新方法與傳統(tǒng)剝離法所制備出薄膜的電傳輸測量一致。
圖5 2H-TaS2薄膜的電催化應(yīng)用
(a) HER工藝示意圖;
(b) 樣品的氫吸附能;
(c) 不同H吸附態(tài)的ΔGH *圖;
(d) 不同厚度2H-TaS2薄膜的極化曲線;
(e) 樣品的原子力顯微鏡(AFM)照片;
(f) 樣品的Tafel(塔費(fèi)爾)圖;
(g) 經(jīng)5000次循環(huán)之前和之后的極化曲線;
(h) 樣品的電化學(xué)阻抗譜。
【小結(jié)】
這篇文章通過化學(xué)氣相沉積法，在Au箔上直接合成大面積均勻且厚度可控的2H-TaS2薄膜。2H-TaS2薄膜已經(jīng)被發(fā)現(xiàn)是用于HER工藝的有效電催化劑，其催化效果甚至與Pt相當(dāng)，這歸因于其豐富的活性位點(diǎn)集中在邊緣和基底，以及2H-TaS2的自優(yōu)化形態(tài)變化。這項(xiàng)研究結(jié)果為2D金屬材料的批量生產(chǎn)和電催化應(yīng)用取得了的重大突破，同時(shí)希望激勵科學(xué)家在MTMDC大型材料中去探索新型有效催化劑。
文獻(xiàn)鏈接：Two-dimensional metallic tantalum disulfide as a hydrogen evolution catalyst (Nat.Commun., 16 October, 2017 , DOI: 10.1038/s41467-017-01089-z)