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Beyond the Platinum Era─Scalable Preparation and Electrochemical Activation of TaS2 Flakes
ACS Applied Materials & Interfaces ( IF 8.3 ) Pub Date : 2023-01-20 , DOI: 10.1021/acsami.2c20261
Vladislav Buravets 1 , Frantisek Hosek 1 , Ladislav Lapcak 2 , Elena Miliutina 1 , Petr Sajdl 3 , Roman Elashnikov 1 , Václav Švorčík 1 , Oleksiy Lyutakov 1
ACS Applied Materials & Interfaces ( IF 8.3 ) Pub Date : 2023-01-20 , DOI: 10.1021/acsami.2c20261
Vladislav Buravets 1 , Frantisek Hosek 1 , Ladislav Lapcak 2 , Elena Miliutina 1 , Petr Sajdl 3 , Roman Elashnikov 1 , Václav Švorčík 1 , Oleksiy Lyutakov 1
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Among 2D materials, transition-metal dichalcogenides (TMDCs) of group 5 metals recently have attracted substantial interest due to their superior electrocatalytic activity toward hydrogen evolution reaction (HER). However, a straightforward and efficient synthesis of the TMDCs which can be easily scaled up is missing. Herein, we report an innovative, simple, and scalable method for tantalum disulfide (TaS2) synthesis, involving CS2 as a sulfurizing agent and Ta2O5 as a metal precursor. The structure of the created TaS2 flakes was analyzed by Raman, XRD, XPS, SEM, and HRTEM techniques. It was demonstrated that a tuning between 1T (metallic) and 3R (semiconductor) TaS2 phases can be accomplished by varying the reaction conditions. The created materials were tested for HER, and the electrocatalytic activity of both phases was significantly enhanced by electrochemical self-activation, up to that comparable with the Pt one. The final values of the Tafel slopes of activated TaS2 were found to be 35 and 43 mV/dec for 3R-TaS2 and 1T-TaS2, respectively, with the corresponding overpotentials of 63 and 109 mV required to reach a current density of 10 mA/cm2. We also investigated the mechanism of flake activation, which can be attributed to the changes in the flake morphology and surface chemistry. Our work provides a scalable and simple synthesis method to produce transition-metal sulfides which could replace the platinum catalyst in water splitting technology.
中文翻译：
超越铂金时代─TaS2 薄片的可扩展制备和电化学活化
在二维材料中，第 5 族金属的过渡金属二硫化物 (TMDC) 最近因其对析氢反应 (HER) 的优异电催化活性而引起了极大的兴趣。然而，缺少可以轻松放大的直接有效的 TMDC 合成。在此，我们报告了一种用于二硫化钽 (TaS 2 ) 合成的创新、简单且可扩展的方法，该方法涉及 CS 2作为硫化剂和 Ta 2 O 5作为金属前体。通过拉曼、XRD、XPS、SEM 和 HRTEM 技术分析了所创建的 TaS 2薄片的结构。已证明 1T（金属）和 3R（半导体）TaS 2之间的调谐阶段可以通过改变反应条件来完成。对所创建的材料进行了 HER 测试，通过电化学自激活显着增强了两相的电催化活性，达到与 Pt 相媲美的水平。对于 3R-TaS 2和 1T-TaS 2 ，活化的 TaS 2的 Tafel 斜率的最终值被发现分别为 35 和 43 mV/dec ，达到电流密度所需的相应过电势为 63 和 109 mV 10 毫安/厘米2. 我们还研究了薄片活化的机制，这可归因于薄片形态和表面化学的变化。我们的工作提供了一种可扩展且简单的合成方法来生产过渡金属硫化物，可以替代水分解技术中的铂催化剂。
更新日期：2023-01-20
中文翻译：
超越铂金时代─TaS2 薄片的可扩展制备和电化学活化
在二维材料中，第 5 族金属的过渡金属二硫化物 (TMDC) 最近因其对析氢反应 (HER) 的优异电催化活性而引起了极大的兴趣。然而，缺少可以轻松放大的直接有效的 TMDC 合成。在此，我们报告了一种用于二硫化钽 (TaS 2 ) 合成的创新、简单且可扩展的方法，该方法涉及 CS 2作为硫化剂和 Ta 2 O 5作为金属前体。通过拉曼、XRD、XPS、SEM 和 HRTEM 技术分析了所创建的 TaS 2薄片的结构。已证明 1T（金属）和 3R（半导体）TaS 2之间的调谐阶段可以通过改变反应条件来完成。对所创建的材料进行了 HER 测试，通过电化学自激活显着增强了两相的电催化活性，达到与 Pt 相媲美的水平。对于 3R-TaS 2和 1T-TaS 2 ，活化的 TaS 2的 Tafel 斜率的最终值被发现分别为 35 和 43 mV/dec ，达到电流密度所需的相应过电势为 63 和 109 mV 10 毫安/厘米2. 我们还研究了薄片活化的机制，这可归因于薄片形态和表面化学的变化。我们的工作提供了一种可扩展且简单的合成方法来生产过渡金属硫化物，可以替代水分解技术中的铂催化剂。
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