Abstract
Recently, 2-dimensional (2D) transition metal dichalcogenides (TMDs) have received great attention for solar water splitting and electrocatalysis. In addition to their wide variety of electronic and microstructural properties, their promising catalytic activities for hydrogen production make 2D TMDs as earth-abundant and inexpensive catalysts that can replace noble metals. This paper reviews the electronic, structural, and optical properties of 2D TMDs. We highlight the various synthetic methods for 2D TMDs and their applications in hydrogen evolution based on photoelectrochemical and electrocatalytic cells. We also discuss perspectives and challenges of 2D TMDs for hydrogen production and artificial photosynthesis.
Similar content being viewed by others
References
F. E. Osterloh and B. A. Parkinson, MRS Bull. 36, 17 (2011).
S. S. Mao, S. Shen, and L. Guo, Prog. Nat. Sci. 22, 522 (2012).
M. G. Walter, E. L. Warren, J. R. McKone, S. W. Boettcher, Q. Mi, E. A. Santori, and N. S. Lewis, Chem. Rev. 110, 6446 (2010).
H. J. Gwon, Y. Park, S. Nahm, S. J. Yoon, S. Y. Kim, and H. W. Jang, Nano Res. 7, 670 (2014).
M. G. Walter, E. L. Warren, J. R. McKone, S. W. Boettcher, Q. X. Mi, E. A. Santori, and N. S. Lewis, Chem. Rev. 110, 6446 (2010).
Y. Tachibana, L. Vayssieres, and J. R. Durrant, Nat. Photonics 6, 511 (2012).
K. C. Kwon, C. Kim, Q. V. Le, S. Gim, J. M. Jeon, J. Y. Ham, J. L. Lee, H. W. Jang, and S. Y. Kim, ACS Nano 9, 4146 (2105).
T. Hisatomi, J. Kubota, and K. Domen, Chem. Soc. Rev. 45, 7520 (2014).
A. Kudo and Y. Miseki, Chem. Soc. Rev. 38, 253 (2009).
M. Batzill, Energ. Environ. Sci. 4, 3275 (2011).
F. E. Osterloh, Chem. Matter. 20, 35 (2007).
M. S. Prévot and K. Sivula, J. Phys. Chem. C 117, 17879 (2013).
A. J. Bard and M. A. Fox, Acc. Chem. Res. 28, 14 (1995).
K. S. Joya, Y. F. Joya, K. Ocakoglu, and R. van de Krol, Angew. Chem. Int. Ed. 52, 10426 (2013).
H. S. Kim, K. S. Ahn, and S. H. Kang, Electron. Mater. Lett. 10, 345 (2014).
K. Maeda, T. Takata, M. Hara, N. Saito, Y. Inoue, H. Kobayashi, and K. Domen, J. Am. Chem. Soc. 127, 8286 (2005).
H. Zhang, Z. Li, J. Qian, Q. Guan, X. Du, Y. Cui, and J. Zhang, Electron. Mater. Lett. 10, 433 (2014).
A. Stanislaus and B. H. Cooper, Catal. Rev. 36, 75 (1994).
V. Kalikhman and Y. S. Umanskii, Phys-Usp+. 15, 728 (1973).
K. Brandt, Solid State Ionics 69, 173 (1994).
J. Auborn, Y. Barberio, K. Hanson, D. Schleich, and M. Martin, J. Electrochem. Soc. 134, 580 (1987).
Q. H. Wang, K. Kalantar-Zadeh, A. Kis, J. N. Coleman, and M. S. Strano, Nat. Nanotechnol. 7, 699 (2012).
M. Chhowalla, H. S. Shin, G. Eda, L.-J. Li, K. P. Loh, and H. Zhang, Nat. Chem. 5, 263 (2013).
H. Terrones, F. López-Urías, and M. Terrones, Sci. Rep. 3 (2013).
A. Geim and I. Grigorieva, Nature 499, 419 (2013).
G. Wertheim, F. DiSalvo, and D. Buchanan, Solid State Commun. 13, 1225 (1973).
E. Marseglia, Int. Rev. Phys. Chem. 3, 177 (1983).
J. Wilson and A. Yoffe, Adv. Phy. 18, 193 (1969).
F. Jellinek, React. Solid. 5, 323 (1988).
B. Abrams and J. Wilcoxon, Crit. Rev. Solid State 30, 153 (2005).
R. Chianelli, Int. Rev. Phys. Chem. 2, 127 (1982).
L. Mattheiss, Phys. Rev. B 8, 3719 (1973).
L. Mattheiss, Phys. Rev. Lett. 30, 784 (1973).
K. Kobayashi and J. Yamauchi, Phys. Rev. B 51, 17085 (1995).
S. Mahatha, K. Patel, and K. S. Menon, J. Phy-Condens. Mat. 24, 475504 (2012).
H. Jiang, J. Phys. Chem. C 116, 7664 (2012).
M. Asadi, B. Kumar, A. Behranginia, B. A. Rosen, A. Baskin, N. Repnin, D. Pisasale, P. Phillips, W. Zhu, and R. Haasch, Nat. Commun. 5, 4470 (2014).
W. Zhao, Z. Ghorannevis, L. Chu, M. Toh, C. Kloc, P.-H. Tan, and G. Eda, ACS Nano 7, 791 (2012).
H. L. Zhuang and R. G. Hennig, J. Phys. Chem. C 117, 20440 (2013).
A. Kuc, N. Zibouche, and T. Heine, Phys. Rev. B 83, 245213 (2011).
V. Nicolosi, M. Chhowalla, M. G. Kanatzidis, M. S. Strano, and J. N. Coleman, Science 340, 1226419 (2013).
J. N. Coleman, M. Lotya, A. O’Neill, S. D. Bergin, P. J. King, U. Khan, K. Young, A. Gaucher, S. De, and R. J. Smith, Science 331, 568 (2011).
M. Xu, T. Liang, M. Shi, and H. Chen, Chem. Rev. 113, 3766 (2013).
H. Li, J. Wu, Z. Yin, and H. Zhang, Acc. Chem. Res. 47, 1067 (2014).
K. Novoselov, D. Jiang, F. Schedin, T. Booth, V. Khotkevich, S. Morozov, and A. Geim, P. Natl. Acad. Sci. USA 102, 10451 (2005).
C. Lee, H. Yan, L. E. Brus, T. F. Heinz, J. Hone, and S. Ryu, ACS Nano 4, 2695 (2010).
A. Castellanos-Gomez, M. Poot, G. A. Steele, H. S. van der Zant, N. Agraït, and G. Rubio-Bollinger, Nanoscale Res. Lett. 7, 1 (2012).
G. Cunningham, M. Lotya, C. S. Cucinotta, S. Sanvito, S. D. Bergin, R. Menzel, M. S. Shaffer, and J. N. Coleman, ACS Nano 6, 3468 (2012).
P. Joensen, R. Frindt, and S. R. Morrison, Mater. Res. Bull. 21, 457 (1986).
M.-R. Gao, Y.-F. Xu, J. Jiang, and S.-H. Yu, Chem. Soc. Rev. 42, 2986 (2013).
Z. Zeng, Z. Yin, X. Huang, H. Li, Q. He, G. Lu, F. Boey, and H. Zhang, Angew. Chem. Int. Ed. 50, 11093 (2011).
K. G. Zhou, N. N. Mao, H. X. Wang, Y. Peng, and H. L. Zhang, Angew. Chem. Int. Ed. 50, 10839 (2011).
R. J. Smith, P. J. King, M. Lotya, C. Wirtz, U. Khan, S. De, A. O'Neill, G. S. Duesberg, J. C. Grunlan, and G. Moriarty, Adv. Mater. 23, 3944 (2011).
Y. Min, G. D. Moon, C.-E. Kim, J. Lee, H. Yang, A. Soon, and U. Jeong, J. Mater. Chem. C 2, 6222 (2014).
J. H. Han, S. Lee, and J. Cheon, Chem. Soc. Rev. 42, 2581 (2013).
R. Friend and A. Yoffe, Adv. Phy. 36, 1 (1987).
A. Zak, Y. Feldman, V. Lyakhovitskaya, G. Leitus, R. Popovitz-Biro, E. Wachtel, H. Cohen, S. Reich, and R. Tenne, J. Am. Chem. Soc. 124, 4747 (2002).
G. Eda, H. Yamaguchi, D. Voiry, T. Fujita, M. Chen, and M. Chhowalla, Nano Lett. 11, 5111 (2011).
R. Chianelli, J. Cryst. Growth, 34, 239 (1976).
M. S. Whittingham, Mater. Res. Bull. 9, 1681 (1974).
G. Protsenko, L. Gumileva, A. Buyanovskaya, and Y. N. Novikov, Russ. Chem. B+ 42, 632 (1993).
M. B. Dines, Science 188, 1210 (1975).
J. Zheng, H. Zhang, S. Dong, Y. Liu, C. T. Nai, H. S. Shin, H. Y. Jeong, B. Liu, and K. P. Loh, Nat. Commun. 5, 2995 (2014).
J. C. Shaw, H. Zhou, Y. Chen, N. O. Weiss, Y. Liu, Y. Huang, and X. Duan, Nano Res. 7, 1 (2014).
R. G. Palgrave and I. P. Parkin, New J. Chem. 30, 505 (2006).
X. Wang, Y. Gong, G. Shi, W. L. Chow, K. Keyshar, G. Ye, R. Vajtai, J. Lou, Z. Liu, and E. Ringe, ACS Nano 8, 5125 (2014).
A. L. Elías, N. Perea-López, A. S. Castro-Beltrán, A. Berkdemir, R. Lv, S. Feng, A. D. Long, T. Hayashi, Y. A. Kim, and M. Endo, ACS Nano 7, 5235 (2013).
Y. Shi, W. Zhou, A.-Y. Lu, W. Fang, Y.-H. Lee, A. L. Hsu, S. M. Kim, K. K. Kim, H. Y. Yang, and L.-J. Li, Nano Lett. 12, 2784 (2012).
J.-G. Song, J. Park, W. Lee, T. Choi, H. Jung, C. W. Lee, S.-H. Hwang, J. M. Myoung, J.-H. Jung, and S.-H. Kim, ACS Nano 7, 11333 (2013).
T. Scharf, S. Prasad, T. Mayer, R. Goeke, and M. Dugger, J. Mater. Res. 19, 3443 (2004).
S. Alfihed, M. Hossain, A. Alharbi, A. Alyamani, and F. H. Alharbi, J. Mater. 2013 (2013).
M. Regula, C. Ballif, J. Moser, and F. Lévy, Thin Solid Films 280, 67 (1996).
A. Jäger-Waldau, M. C. Lux-Steiner, E. Bucher, L. Scandella, A. Schumacher, and R. Prins, Appl. Surf. Sci. 65, 465 (1993).
Y. Zhan, Z. Liu, S. Najmaei, P. M. Ajayan, and J. Lou, Small 8, 966 (2012).
R. R. Chianelli and M. B. Dines, Inorg. Chem. 17, 2758 (1978).
S. Jeong, D. Yoo, J.-T. Jang, M. Kim, and J. Cheon, J. Am. Chem. Soc. 134, 18233 (2012).
Y. Yu, C. Li, Y. Liu, L. Su, Y. Zhang, and L. Cao, Sci. Rep. 3, 1866 (2013).
A. M. van der Zande,_P. Y. Huang, D. A. Chenet, T. C. Berkelbach, Y. You, G.-H. Lee, T. F. Heinz, D. R. Reichman, D. A. Muller, and J. C. Hone, Nat. Mater. 12, 554(2013).
Q. Ding, F. Meng, C. R. English, M. Cabán-Acevedo, M. J. Shearer, D. Liang, A. S. Daniel, R. J. Hamers, and S. Jin, J. Am. Chem. Soc. 136, 8504 (2014).
L. K. Tan, B. Liu, J. H. Teng, S. Guo, H. Y. Low, and K. P. Loh, Nanoscale 6, 10584 (2014).
P. Raybaud, J. Hafner, G. Kresse, S. Kasztelan, and H. Toulhoat, J. Catal. 189, 129 (2000).
B. Hinnemann, P. G. Moses, J. Bonde, K. P. Jørgensen, J. H. Nielsen, S. Horch, I. Chorkendorff, and J. K. Nørskov, J. Am. Chem. Soc. 127, 5308 (2005).
T. F. Jaramillo, K. P. Jørgensen, J. Bonde, J. H. Nielsen, S. Horch, and I. Chorkendorff, Science 317, 100 (2007).
D. Voiry, M. Salehi, R. Silva, T. Fujita, M. Chen, T. Asefa, V. B. Shenoy, G. Eda, and M. Chhowalla, Nano Lett. 13, 6222 (2013).
Z. Wu, B. Fang, A. Bonakdarpour, A. Sun, D. P. Wilkinson, and D. Wang, Appl. Catal. B 125, 59 (2012).
L. Cheng, W. Huang, Q. Gong, C. Liu, Z. Liu, Y. Li, and H. Dai, Angew. Chem. Int. Ed. 53, 7860 (2014).
J. Kibsgaard, Z. Chen, B. N. Reinecke, and T. F. Jaramillo, Nat. Mater. 11, 963 (2012).
J. Xie, J. Zhang, S. Li, F. Grote, X. Zhang, H. Zhang, R. Wang, Y. Lei, B. Pan, and Y. Xie, J. Am. Chem. Soc. 135, 17881 (2013).
Z. Wu, B. Fang, Z. Wang, C. Wang, Z. Liu, F. Liu, W. Wang, A. Alfantazi, D. Wang, and D. P. Wilkinson, ACS Catal. 3, 2101 (2013).
D. Merki, H. Vrubel, L. Rovelli, S. Fierro, and X. Hu, Chem. Sci. 3, 2515 (2012).
J. Bonde, P. G. Moses, T. F. Jaramillo, J. K. Nørskov, and I. Chorkendorff, Faraday Discuss. 140, 219 (2009).
D. Voiry, H. Yamaguchi, J. Li, R. Silva, D. C. Alves, T. Fujita, M. Chen, T. Asefa, V. B. Shenoy, and G. Eda, Nat. Mater. 12, 850 (2013).
S. Jin, M. A. Lukowski, A. S. Daniel, C. R. English, F. Meng, A. Forticaux, and R. Hamers, Energ. Environ. Sci. 7, 2608 (2014).
M. A. Lukowski, A. S. Daniel, F. Meng, A. Forticaux, L. Li, and S. Jin, J. Am. Chem. Soc. 135, 10274 (2013).
J. Kim, S. Byun, A. J. Smith, J. Yu, and J. Huang, J. Phys. Chem. Lett. 4, 1227 (2013).
X. Xu, J. Hu, Z. Yin, and C. Xu, ACS Appl. Mater. Interfaces 6, 5983 (2014).
J. Yang, D. Voiry, S. J. Ahn, D. Kang, A. Y. Kim, M. Chhowalla, and H. S. Shin, Angew. Chem. Int. Ed. 52, 13751 (2013).
Y. Yan, X. Ge, Z. Liu, J.-Y. Wang, J.-M. Lee, and X. Wang, Nanoscale 5, 7768 (2013).
W. Zhou, Z. Yin, Y. Du, X. Huang, Z. Zeng, Z. Fan, H. Liu, J. Wang, and H. Zhang, Small 9, 140 (2013).
Y. Li, Y.-L. Li, C. M. Araujo, W. Luo, and R. Ahuja, Catal. Sci. & Tech. 3, 2214 (2013).
N. Singh, G. Jabbour, and U. Schwingenschlögl, Eur. Phys. J. B 85, 1 (2012).
A. B. Laursen, S. Kegnæs, S. Dahl, and I. Chorkendorff, Energ. Environ. Sci. 5, 5577 (2012).
Y. Liu, Y.-X. Yu, and W.-D. Zhang, J. Phys. Chem. C 117, 12949 (2013).
J. R. McKone, E. L. Warren, M. J. Bierman, S. W. Boettcher, B. S. Brunschwig, N. S. Lewis, and H. B. Gray, Energ. Environ. Sci. 4, 3573 (2011).
M. Szklarczyk and J. O. M. Bockris, J. Phys. Chem. 88, 1808 (1984).
B. Seger, A. B. Laursen, P. C. Vesborg, T. Pedersen, O. Hansen, S. Dahl, and I. Chorkendorff, Angew. Chem. Int. Ed. 51, 9128 (2012).
A. B. Laursen, T. Pedersen, P. Malacrida, B. Seger, O. Hansen, P. C. Vesborg, and I. Chorkendorff, Phys. Chem. Chem. Phys. 15, 20000 (2013).
Author information
Authors and Affiliations
Corresponding author
Additional information
Both authors contributed equally to this work.
Rights and permissions
About this article
Cite this article
Andoshe, D.M., Jeon, JM., Kim, S.Y. et al. Two-dimensional transition metal dichalcogenide nanomaterials for solar water splitting. Electron. Mater. Lett. 11, 323–335 (2015). https://doi.org/10.1007/s13391-015-4402-9
Received:
Accepted:
Published:
Issue Date:
DOI: https://doi.org/10.1007/s13391-015-4402-9