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取次花丛懒回顾 半缘修道半缘君


D. Hu, J. Xiang, Q. W. Zhou, S. Q. Su, Z. B. Zhang, X. Wang, M. L. Jin, L. Nian, Richard Nözel, G. F. Zhou, Z. Zhang(张璋) and J.-M. Liu(刘俊明)


One-step chemical vapor deposition of MoS2 nanosheets on SiNWs as photocathodes for efficient and stable solar-driven hydrogen production


Nanoscale, 2018, 10, 3518–3525


在华南师大“混”了七年,发了第一篇IF上7的论文。此处语气词。

词穷的我,写了上面这句话似乎也就想把这个故事说完了。但是,我知道,我不是Lander、更不是Conway,索性就借此机会掰扯掰扯这个工作的一些相关故事吧。

研究背景是我的课题小组从2016年开始转投能源环境材料的新尝试。这个转投是带点笨拙和窘迫的。一直觉得科研工作应该是有着明显个人标识的一种创造性劳动,绝非简单的模仿和追热点。当然,这也应是科研工作者本身具有良好职业技能和全身心职业投入前提之下的正常标准,虽然在当下看来,这个标准实在是差强人意。2005年前,作为一名物理专业的大三本科生,进入中山大学纳米中心,首次接触到有序多孔纳米材料的制备。先入为主的局限性、性格中的执拗以及各种机缘巧合,使得纳米模板也就成了我这十几年学习工作中的一条主线。

在德国马克斯普朗克微结构物理所读博期间,小老板Dr. Stephan Senz、一个风一般的科学疯子,在教了我一年土木工程后,终于给了我小小自由。于是乎有了纳米模板压印外延硅线这么扯的野路子。虽然侥幸通过烧电镜而收获了我的模板情节,但是10年过去了,平平的他引数据也印证了路子确实有点扯。不过,到了读博那两年,大老板Prof. Dr. Ulrich Gösele风头正盛,硅纳米线也风风火火的,让我觉得我怀才不遇的日子似乎结束了。不过,天意弄人, 2009年年底,老硅(Gösele)撇下我们这批硅娃,甩甩衣袖“走”了。科研圈人走茶凉的现实,我也在毕业前夕提前感受了一遭。说好的AM review,说好的IBM postdoc,都是浮云,呵呵。

毕业后在所里群龙无首耗博后的日子不太好过,没有大课题,也就不太容易出大文章,索性也就回国来儿女情长了。此处省略一千字。回想人生那个当下,没有信心满满、没有太多的准备和热情,性格使然,选择了随遇而安。这七年和华师结缘,在南国踏踏实实地生活工作,为人子、为人夫、为人父,成长了、也油腻了。这七年中,尽管经历研究领域的衰败和资源匮乏,但纳米模板和硅线我还在坚持作为个人研究的标识,当然带着笨拙和窘迫也在做一些新的尝试和努力。惭愧的是这几年,尽管我们竭尽所能,文章也不少,成果也不差,但就是没有入高IF杂志编辑和审稿人法眼。痛定思痛,唯有继续前行,希望在本命年能以此工作为契机,有更好的展示和突破。

哔哔完毕,回到这篇论文吧。大家都熟悉,硅纳米线阵列由于具有独特的陷光特性,能够通过耦合光子和散射等机理增加光吸收,已被广泛应用到光伏领域。正如刘俊明老师经常说的,这个世界上有一些金牌材料,做什么都行。硅算一个,前人硬是从这个不起眼的间接带隙半导体中收获了万千春意、叠叠秋收。其中一个原因是硅有一位好太太二氧化硅,另一个原因是硅历经历万千包装后总是可以风生水起,与二氧化硅一道经受折腾,鲜有失手。现在,我们还看到,硅在光伏领域的表演就像硅在微电子领域的GOAT一般,傲视群雄,秒杀世代交替!我们将标题取为“取次花丛懒回顾,半缘修道半缘君”,其寄托之一就是硅,寄托之二就是元稹低吟无上的前两句“曾经沧海难为水,除却巫山不是云”。我们想:还有什么能够比硅更沧海、更巫山?!

然而,对于近年来兴起的光解水应用,硅作为光电极在电解质溶液中容易发生腐蚀和反应。因为这一问题,也就有了寻找廉价、丰富的光电催化剂来修饰硅纳米线这一槽点。引起众多科研工作者兴趣。大家伙各显神通,通过滴注法、旋涂法、电化学沉积等方法在硅纳米线上修饰催化剂。这种尝试简单易行,谁都可以师法其上,展开竞赛。尽管在大多最新的报道中,硅纳米线复合电极的催化效率得到了提高,但是其异质结界面质量和稳定性并不是很好。所以,报道是报道,引用是引用,问题在那里,一直未得撼动。

其时,我这小庙里有一个刚来不久的研究僧,名号好听:胡蝶,也就是这一工作的第一作者。我们之间经由讨论萌生了一种新的思路:能否寻求一种在高密度硅纳米线阵列基础上生长覆盖率较高的片状二硫化钼(MoS2)光解水产氢电极之方法,希望借助二维材料包覆保护、希冀二维材料与硅良好的界面生长质量和丰富的边界密度,能在大幅度提高催化效率的同时提高反应稳定性。

一开始的实验思路是:采用传统滴注法在硅线高密度阵列上生长硫化钼。胡蝶经历了三个月的探索,最终以失败而告终。而那时对她来说,已是研二上学期期末。出于顺利毕业的考虑,我和她商量是否换个材料。但小胡蝶还是决定狠下心去尝试别的路子(她觉得当时已无路可退,没有其他的方向可做,庙小啊)。

那段时间,我看到小胡蝶几乎每天都是早上8点半之前到实验室,一直到晚上12点回到宿舍还跟我在QQ上发问题、拽着我讨论。她边看文献、边去尝试对二硫化钼CVD生长的各种调控。功夫不负有心人,经历将近两个月的时间,我们终于在硅纳米线阵列上成功长出了高密度片状二硫化钼。由于我本身对光电化学测试经验不足,加上仪器也要我们学生自己加工(购买成本太高,经费吃紧),性能测试对我们来说也困难不小。很幸运的是,我们有一些朋友使用电化学工作站,给了我们很大帮助。前前后后,经历了将近半年的时间,最终完成了样品的光电测试及光解水性能调控。

其实,这个体系催化效率并不算很高,亮点就是纳米结构清晰、与提出的模型契合度较高、稳定性得到了不小的改进。之后,我们先经历了NE拒稿,又历经JMCA拒稿、重投、大修、拒稿,到改投Nanoscale小修、接收,半年来也让胡蝶在她自己的研究生学习中经历了重要成长,交上了一份合格的答卷。一个小女生,能够如此倔强和坚持,很值得我们为其骄傲。我们愿意送给胡蝶同学几句话作为勉励:衷肠有致,浮尘无净,换取韶华几幕。岁岁珠沉,卓然沧浪,格物于心著。我们以为,这几句话也描绘了这一工作进程中呈现的风景。

最后,感谢刘俊明老师一直以来给予的鼓励与支持,同时也感谢研究院的其他老师和伙伴们的帮助。

(撰稿:张璋。修订:Ising)

Silicon nanowires (SiNWs) are widely used as photocathodes because of their large electrochemically available surface-area density and inherent ability to decouple light absorption from the transport of minority carriers. In order to minimize overpotential for solar-driven hydrogen (H2) production, a combination of an ultrathin molybdenum disulfide (MoS2) layer with SiNWs as photocathode has attracted much attention. Herein, for the first time, this study presents the synthesis of a composite photocathode via direct growth of ultrathin MoS2 nanosheets on SiNWs (referred to as SiNWs/MoS2) by one-step chemical vapor deposition (CVD). Due to the high surface-area density of the arrays of SiNWs, the discontinuous MoS2 nanosheets grown on the SiNWs achieved a much higher density of active sites. Moreover, the coating of MoS2 on the SiNWs was found to protect the photocathode during the photoelectrochemical (PEC) reaction. A high efficiency with photocurrent jsc of 16.5 mA cm-2 (at 0 V vs. reversible hydrogen electrode) and an excellent stability over 48 h of PEC operation were achieved under a simulated 1 sun irradiation.




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