第一作者：Teng-Xiang Huang, Xin Cong

通訊作者：王翔，任斌，譚平恒

通訊單位：廈門大學(xué)，中國科學(xué)院半導(dǎo)體研究所

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本研究通過電化學(xué)尖端增強(qiáng)拉曼光譜（EC-TERS）技術(shù)，首次實(shí)現(xiàn)了對二硫化鉬（MoS₂）在電催化析氫反應(yīng)（HER）中活性位點(diǎn)的原位、高空間分辨率的監(jiān)測。

研究結(jié)果表明，邊緣位點(diǎn)的晶格重構(gòu)和電子結(jié)構(gòu)變化對電催化性能有重要影響。在電化學(xué)活化過程中，邊緣位點(diǎn)經(jīng)歷了顯著的物理化學(xué)性質(zhì)變化，包括拉伸應(yīng)變的增加和電荷密度的提高，這些變化有助于增強(qiáng)HER活性。

此外，研究還發(fā)現(xiàn)，活化處理后，邊緣位點(diǎn)的晶格重構(gòu)區(qū)域（LRR）和電子躍遷區(qū)域（ETR）的大小顯著增加，這表明活性位點(diǎn)周圍的協(xié)同重構(gòu)對電催化性能有積極影響。

這些發(fā)現(xiàn)為理解和設(shè)計(jì)高性能電催化劑提供了新的視角和策略，特別是在非貴金屬催化劑的開發(fā)和優(yōu)化方面具有重要意義。未來，隨著EC-TERS技術(shù)的進(jìn)一步發(fā)展，研究者將能夠更深入地探究活性位點(diǎn)與反應(yīng)中間體的相互作用，以及活性位點(diǎn)在催化過程中的動態(tài)演變，從而推動電催化領(lǐng)域的進(jìn)步。

圖文導(dǎo)讀

圖1展示了通過電化學(xué)尖端增強(qiáng)拉曼光譜（EC-TERS）測量MoS₂片層在析氫反應(yīng)（HER）中催化活性（即邊緣位點(diǎn)）和非活性（即基面位點(diǎn)）的拉曼信號的實(shí)驗(yàn)設(shè)置。

圖中包括了機(jī)械剝離的雙層MoS₂片層在原子級平滑的金膜上的原子力顯微鏡（AFM）圖像，以及在不同電位下基面和邊緣的EC-TERS光譜。

圖2通過EC-TERS展示了MoS₂在HER過程中的光譜。

圖中展示了基面和邊緣的EC-TERS光譜隨電位變化的情況，以及兩種拉曼模式（A1g和2LA(K–M)）的峰位和強(qiáng)度隨電位的變化趨勢。

圖3揭示了邊緣引起的晶格重構(gòu)區(qū)域（LRR）和電子躍遷區(qū)域（ETR）。

圖中展示了通過EC-TERS線成像技術(shù)獲得的雙層MoS₂邊緣的線跡圖，以及在不同HER狀態(tài)下LRR和ETR的長度變化。

圖4通過EC-TERS研究了MoS₂在電化學(xué)活化過程中的變化。

圖中展示了雙層MoS₂邊緣和基面在電化學(xué)活化前后的TERS光譜，以及活化前后邊緣的線跡TERS光譜強(qiáng)度變化。

圖5 總結(jié)了在不同狀態(tài)下原子級薄MoS₂邊緣的結(jié)構(gòu)演變。

圖中展示了原始MoS₂、活化后的MoS₂以及在HER過程中的MoS₂邊緣的結(jié)構(gòu)變化，包括電子密度和晶格結(jié)構(gòu)的變化，以及這些變化對電催化活性的影響。

總結(jié)展望

本研究的亮點(diǎn)在于首次使用EC-TERS技術(shù)實(shí)時監(jiān)測了MoS₂在電催化析氫反應(yīng)中的活性位點(diǎn)的結(jié)構(gòu)演變。

研究結(jié)果表明，邊緣位點(diǎn)的晶格重構(gòu)和電子密度變化對于降低活化能壘和促進(jìn)電催化反應(yīng)具有重要作用。此外，電化學(xué)激活過程可以顯著改變邊緣位點(diǎn)的物理化學(xué)性質(zhì)，從而提高催化活性。

這些發(fā)現(xiàn)不僅為理解電催化劑的工作機(jī)制提供了新的視角，也為設(shè)計(jì)和優(yōu)化高性能電催化劑提供了重要的理論依據(jù)。

文獻(xiàn)信息

標(biāo)題：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