半导体 2H 相二硫化钼 (2H-MoS₂) 的析氢反应性能是实现其全部潜在应用的重大障碍。在这里，研究者利用理论计算来预测可能的功能化石墨烯量子点（GQD），它可以增强块状 MoS₂ 的 HER 活性。随后，作者设计了一种功能化GQD诱导的原位自下而上策略，通过调节吸电子/供电子官能团的浓度来制造以GQD（ALQD）介导的近原子层2H-MoS₂纳米片。实验结果表明，一系列功能化GQD的引入在ALQD的合成过程中起着至关重要的作用。值得注意的是，GQD 上吸电子官能团的浓度和强度越高，所得的 ALQD 就越薄且活性更高。值得注意的是，合成的近原子层 ALQD-SO₃ 表现出显着改善的 HER 性能。该GQD 诱导策略为扩大 MoS₂ 的催化应用提供了一种简单有效的方法。此外，它在开发其他过渡金属二硫属化物材料中的纳米片方面具有巨大的潜力。

 
Fig 1. 通过理论预测材料的结构、电荷特性和 HER 性能。 a GQDs 进入 2H-MoS₂ 的结构稳定性。 b 四种ALQD的结构，d是通过测量两个Mo原子的垂直距离得到的2H-MoS₂ NS的层间距。黄色、蓝色、灰色、白色和绿色球分别代表S、Mo、C、H和官能团。 c 四种ALQD的层间距和形成能。 d PDOS和C原子的p带中心连接到-SO₃和-NH₂。 e 连接至-SO₃ 和-NH₂ 的C 原子的电荷密度差和Bader 电荷。绿色和红色等值面分别表示电子密度的减少和增加，其值为±3× 10⁻⁴ e Bohr⁻³。 f 四种类型 ALQD 的四个位点上 HER 过程的吉布斯自由能变化 (ΔG_*H)。 g 与四种类型 ALQD 上的官能团相连的 C 位点的 HER 过程的吉布斯自由能曲线。

        
Fig 2. 合成材料的形态和结构表征。 ALQD-SO₃ 的 TEM 图像。 b ALQD-SO₃ 的高分辨率 TEM 图像。 b 中的插图显示了放大的 MoS₂ NS 的规则晶格。 c ALQD-SO₃ 的 AFM 图像。 d ALQD-SO₃ 和块状 MoS₂ 的 XRD 图谱。 e ALQD-SO₃ 和块状 MoS₂ 的拉曼光谱。 f XPS总谱，以及 ALQD-SO₃ 和块状 MoS₂ 的高分辨率 XPS g Mo 3d 和 h S 2p 光谱。 i ALQD-SO₃ 和块状 MoS₂ 的电导率。

 
Fig 3. 合成材料的HER性能。 a CB@MoS₂、块状MoS₂、ALQD-SO₃和Pt-C的LSV曲线在0.5 M H₂SO₄电解液中进行。 b 相应的塔菲尔斜率源自 LSV 曲线。 c 对于块状 MoS₂ 和 ALQD-SO₃，在 0.25 V 与 RHE 下测得的电容电流之比。c 中的插图显示了 ALQD-SO₃ 在 20 至 200 mV s ^-1 扫描速率下的循环伏安图。 d 块状 MoS₂ 和 ALQD-SO₃ 的 NH₃-TPD 曲线。 e 块状 MoS₂ 和 ALQD-SO₃ 的奈奎斯特图。 f LSV 曲线是在 0.2 至 -0.8 V 相对于 RHE 的条件下在 1000 个循环之前和之后测量的。 g 相对于RHE在250 mV下电流密度随时间变化曲线。

 
Fig 4. ALQD-COOH 和 ALQD-OH 的形态表征和 HER 性能。 a ALQD-COOH 和 b ALQD-OH 的 AFM 图像。 c ALQD-COOH 和 d ALQD-OH 的 TEM 图像。 e ALQD-COOH 和 f ALQD-OH 的高分辨率 TEM 图像。 ALQD-COOH 和 ALQD-OH 的 g LSV 曲线在 0.5 M H₂SO₄ 电解质中进行。 h 相应的塔菲尔斜率源自 LSV 曲线。 i ALQD-COOH 和 ALQD-OH 的奈奎斯特图。
 
       相关研究工作由上海大学Liang Wang联合南洋理工大学Zheng Liu和华东理工大学Cheng Lian课题组于2023年在线发表于《Nano-Micro Letters》期刊上，Graphene Quantum Dot Mediated Atom-Layer Semiconductor Electrocatalyst for Hydrogen Evolution。
       原文：https://doi.org/10.1007/s40820-023-01182-7 

转自《石墨烯研究》公众号