物理化学学报  2017, Vol. 33 Issue (12): 2317-2318   (159 KB)    
二维MoSe2、MoS2纳米片在一维纳米线上的边缘外延生长
王训    
清华大学化学系, 北京 100084


近年来,构建以二维材料为基础的异质结由于其在光电子器件、热电子器件以及催化等领域的潜在应用,受到研究者的广泛关注1。如何设计和制备基于二维材料的异质结,尤其是横向外延异质结是该领域面临的一大挑战。由于其特殊的二维晶体结构与传统的晶体(面心立方、密排六方等结构)有较大差异,目前横向外延异质结的构建仅局限于两种材料都是二维材料,即都具有相同的二维晶体结构,比如MoS2-MoSe2 2,MoS2-WS2 3, 4,MoSe2-WS2 5等。然而,二维材料以边缘接触的方式,横向外延生长在非二维材料表面尚未见报道。

最近,新加坡南洋理工大学张华教授课题组利用Cu2-xS纳米线为模板,以乙酰丙酮钼为钼源,在高温(200 ℃)下用蠕动泵缓慢注入硫源或硒源,实现了MoS2或MoSe2以边缘接触的方式垂直外延生长在一维Cu2-xS纳米线上。MoS2和MoSe2的生长密度以及纳米片的大小可以通过控制注入的硫源或硒源的量来调整6。重要的是,所制备的Cu2-xS-MoS2可以用阳离子交换的方式转化成CdS-MoS2,且得到的CdS-MoS2可以保持原有的形貌不变。在光解水制氢中CdS-MoS2显示出优异的催化性能。负载7.7% (w) MoS2的异质结其制氢速率达4647 μmol·h-1·g-1,是纯CdS的58倍。此工作的相关结果发表在国际著名期刊Journal of the American Chemical Society上。

为了搞清楚这种异质结的界面结构,研究人员利用球差校正电镜进行了一系列的表征。结果表明所制备的Cu2-xS-MoSe2异质结由三种物相组成,Cu2-xS是由Cu1.94S和Cu2S组成的核-壳结构,而MoSe2则垂直生长在Cu2S壳的表面。结构分析显示MoSe2与Cu2S之间是晶格匹配的外延生长,MoSe2(002) 面的面间距(0.66 nm)恰好是Cu2S(002) 面间距(0.33 nm)的两倍;匹配的晶体结构是构建这种特殊异质结的关键。进一步分析显示,MoSe2晶体中的Mo原子层位于Cu2S晶体的两层Cu原子层中间,这意味着MoSe2中Se原子层与Cu2S晶体中的Cu原子层直接接触。由于MoS2催化的活性位点在其边缘,MoS2垂直生长在基底表面能暴露更多的催化活性位点。这是为什么该研究中通过阳离子交换得到的CdS-MoS2异质结具有高催化活性的重要原因。

此项研究成果为发展制备以二维材料为基础的新型异质结提供了新的思路,使得构建二维材料-非二维材料横向外延异质结成为可能。同时此研究对半导体异质结在光解水制氢当中的应用有着积极的推动作用,势必对以后半导体异质结光催化剂的设计带来全新的启发。

参考文献
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(6) Chen, J.; Wu, X. J.; Gong, Y.; Zhu, Y.; Yang, Z.; Li, B.; Lu, Q.; Yu, Y.; Han, S.; Zhang, Z.; Zong, Y.; Han, Y.; Gu, L.; Zhang, H. J. Am. Chem. Soc. 2017 doi: 10.1021/jacs.7b03752