二维过渡金属硫族化合物纳米结构的制备与性能研究

在低维物理系统中,二维纳米结构以其独特的微观结构、优异的性能和广阔的应用前景引发了广大科研工作者极大的研究热情。与此同时,与二维纳米结构相关的一些新体系的出现以及这些相关体系中出现的新现象和新规律也为二维纳米结构的发展注入了新的活力。

其中,二维过渡金属硫属化合物因其丰富的元素组成及特别的电子结构,展现出独特的物理、化学性质,在光电子器件、催化、能源转换与存储等众多领域都有着巨大的应用前景。利用此类二维晶体独特的二维边界效应,调节相应晶体结构及元素组成,可以实现对过渡金属硫属化合物电子结构、光、热、磁的特性的调节,从而实现材料在各领域功能性的优化,为二维纳米材料设计和性能优化提供了一个良好的材料研究平台。

本论文旨在对过渡金属硫属化合物在光电催化领域优势和限制因素分析的基础上,通过构筑一系列二维过渡金属硫属化合物纳米结构,并有效应用于光电催化系统中。充分发挥过渡金属硫属化合物的电子特性和二维纳米材料的结构优势,设计和调控相关晶体结构及多元二维过渡金属硫属化合物系统,以期实现更为高效的电催化活性和能源转换效率。

本论文主要包括以下几方面的内容:1.基于对二维过渡金属硫属化合物纳米结构的研究需求,发展出了一种适合大批量合成过渡金属硫属化合物二维纳米片的新方法。通过水热插层剥离处理,成功制备出了超薄二硫化钼,二硒化钼纳米片,产物纯度高,表面光滑,厚度可达4 nm左右。

这种方法普适性强,可适用于其他的层状过渡金属硫属化合物。利用制备得到的超薄二硫化钼纳米片,通过一系列测试和研究发现,其有着优良的光电化学,

光响应,以及电化学储能性能。

本工作为以后将二维过渡金属硫属化合物应用于光电探测器,传感器,以及

能源存储等领域提供了极大的便利。2.作者利用二维过渡金属硫属化合物纳米片在液相体系中带电荷的物理特征,采用电泳沉积制备一系列高效的电催化析氢电极。

该电极制备方法简单有效,实验结果表明,二硫(硒)化钼纳米片与基底连结

紧密,电催化材料与电极载体之间的电荷转移十分高效。其次,通过选择三维孔状碳纤维布,将超薄纳米片结构有效地负载到碳纤维曲面上,极大程度地将过渡金

属硫属化合物的催化活性位点暴露出来,通过一系列测试证实,该析氢电极具有

优异的电解水析氢效率和稳定性。

该工作提出了一个增加催化剂活性位点和提高析氢电极电导有效的路径,对大规模应用二维过渡金属硫属化合物电催化剂具有重要的借鉴意义。3.二硒化钴等非层状过渡金属硫属化合物本身就具有较好的电催化活性,但由于晶体结构不同于二硫化钼等层状硫属化合物,热力学生长过程中不易于形成二维纳米片结构。

作者结合离子交换路径和选择合适形貌的中间过渡产物作为前驱体,通过水热法制备出了超薄的二硒化钴纳米片结构。所制备的二硒化钴纳米片仅有1.8 nm 厚,并原位生长在碳纤维组成的碳布上,与碳纤维电接触良好,可直接用作电解水析氢电极。

在酸性体系下,所制备的超薄二硒化钴纳米片的电催化性能明显优于一般的二硒化钴纳米颗粒,且体现出其优异的稳定性。我们的研究结果进一步揭示二维结构有利于暴露更多活性界面,为将来制备更多非层状过渡金属硫族化合物二维纳米结构和设计高效的电催化活性材料,提供了重要的借鉴意义,并为以后进一

步研究其催化反应机理创造了良好的条件。

4.材料的催化性质本质上是由其电子性质决定的,过渡金属硫族化合物具有独特的成键方式和电子结构,易于通过多元金属组分来调节其电子性质。作者通过两步法制备了一系列二元过渡金属硫属化合物二硒化镍钴(NixCo1-x Se2)纳米结构。

不同的金属元素将会对过渡金属硫属化合物的电子性质和催化活性产生影响。通过调节反应前驱体中镍和钴的比例,我们还成功制备出含不同钴镍比例的二元硒化物纳米片结构,以此一系列产物作为研究对象,研究其电催化析氢特性。

结果表明,在酸性体系下,二元硒化钴镍的过电位与塔菲尔斜率均好于单纯的Ni Se2和Co Se2。但不同比例的钴镍含量将会对电催化剂的催化活性和稳定性分别产生影响。

本工作以二维纳米结构为研究平台,通过制备多元金属硫属化合物和调节不同金属组分比例,来达到优化电催化活性和探究影响催化活性机理的目的,这种思路为未来催化剂的设计以及对二维材料催化活性机理的研究提供了一种新的方法。