开发高效而廉价的析氢反应 (HER) 催化剂是实现清洁且可再生的氢经济的重要一环。二维过渡金属硫族化合物 (TMDCs) 作为有前景的非贵金属HER催化剂之一，已引起科研界的广泛关注。

然而，理论和实验均表明TMDCs的电化学活性位点主要分布在边缘，而平面却表现出电化学惰性。此外，由于其本征的范德瓦尔斯层间结构，电子在TMDCs中的层间跃迁总是受到限制，因此显示出较低的垂直电导性。

近日，华中科技大学的刘友文副教授、翟天佑教授和安徽师范大学的卢宁副教授合作，提出螺旋纳米片结构模型实现对缺陷位点和垂直传导的双重调控。通过化学气相沉积成功合成出螺位错驱动生长的二维MoTe₂螺旋纳米片，基于单个MoTe₂螺旋纳米片的电催化微纳器件测试表明，螺旋结构MoTe₂相对于机械剥离样品析氢电流密度大幅提高了两个数量级。

MoTe₂螺旋在化学气相沉积过程中通过螺位错外延生长从而形成丰富的边缘台阶。通过理论计算发现，台阶边缘区域的Te空位相较于远离边缘区域贡献了更低的ΔG_H*。高分辨透射电子显微镜图像可直接观察到主要分布在边缘台阶区域附近的丰富的Te空位，可作为额外的HER活性位点。此外，MoTe₂螺旋相较于层状样品具有更高的表面电势，有利于电子向质子氢的转移从而促进HER过程。

通过导电原子力显微镜，作者发现在同样的偏压下，MoTe₂螺旋在30 nm内的不同高度下均保持一致的垂直电流，而MoTe₂层状样品则表现出垂直电流对厚度的强烈依赖，在仅15 nm高度处即表现为不导通状态。对比之下，作者确认范德瓦尔斯层状材料的螺结构可以通过连续的位错线以螺旋状路径传输电流，实现增强的垂直导电性，从而改善了电子从催化剂负载到TMDCs催化剂再到吸附中间物的迁移。

最终，基于MoTe₂螺旋的单片器件在测试中表现出优异的HER活性。该工作开发了一个新的结构模型，突破了TMDCs用于HER的本征限制，并有望为这类独特的微结构开辟用于惰性催化反应的多种可能性。

论文信息：

Dual-Regulation of Defect Sites and Vertical Conduction by Spiral Domain for Electrocatalytic Hydrogen Evolution

Xipeng Tong, Yang Zhao, Zhiwen Zhuo, Zhenhong Yang, Shuzhe Wang, Youwen Liu,* Ning Lu,* Huiqiao Li and Tianyou Zhai*

Angewandte Chemie International Edition

DOI: 10.1002/anie.202112953