二維過渡金屬硫族化合物納米結(jié)構(gòu)的制備與性能研究.pdf

1、在低維物理系統(tǒng)中，二維納米結(jié)構(gòu)以其獨特的微觀結(jié)構(gòu)、優(yōu)異的性能和廣闊的應(yīng)用前景引發(fā)了廣大科研工作者極大的研究熱情。與此同時，與二維納米結(jié)構(gòu)相關(guān)的一些新體系的出現(xiàn)以及這些相關(guān)體系中出現(xiàn)的新現(xiàn)象和新規(guī)律也為二維納米結(jié)構(gòu)的發(fā)展注入了新的活力。其中，二維過渡金屬硫?qū)倩衔镆蚱湄S富的元素組成及特別的電子結(jié)構(gòu)，展現(xiàn)出獨特的物理、化學(xué)性質(zhì)，在光電子器件、催化、能源轉(zhuǎn)換與存儲等眾多領(lǐng)域都有著巨大的應(yīng)用前景。利用此類二維晶體獨特的二維邊界效應(yīng)，調(diào)節(jié)相應(yīng)晶體

2、結(jié)構(gòu)及元素組成，可以實現(xiàn)對過渡金屬硫?qū)倩衔镫娮咏Y(jié)構(gòu)、光、熱、磁的特性的調(diào)節(jié)，從而實現(xiàn)材料在各領(lǐng)域功能性的優(yōu)化，為二維納米材料設(shè)計和性能優(yōu)化提供了一個良好的材料研究平臺。
　　本論文旨在對過渡金屬硫?qū)倩衔镌诠怆姶呋I(lǐng)域優(yōu)勢和限制因素分析的基礎(chǔ)上，通過構(gòu)筑一系列二維過渡金屬硫?qū)倩衔锛{米結(jié)構(gòu)，并有效應(yīng)用于光電催化系統(tǒng)中。充分發(fā)揮過渡金屬硫?qū)倩衔锏碾娮犹匦院投S納米材料的結(jié)構(gòu)優(yōu)勢，設(shè)計和調(diào)控相關(guān)晶體結(jié)構(gòu)及多元二維過渡金屬硫?qū)倩衔?/p>

3、系統(tǒng)，以期實現(xiàn)更為高效的電催化活性和能源轉(zhuǎn)換效率。本論文主要包括以下幾方面的內(nèi)容：
　　1.基于對二維過渡金屬硫?qū)倩衔锛{米結(jié)構(gòu)的研究需求，發(fā)展出了一種適合大批量合成過渡金屬硫?qū)倩衔锒S納米片的新方法。通過水熱插層剝離處理，成功制備出了超薄二硫化鉬，二硒化鉬納米片，產(chǎn)物純度高，表面光滑，厚度可達(dá)4 nm左右。這種方法普適性強(qiáng)，可適用于其他的層狀過渡金屬硫?qū)倩衔?。利用制備得到的超薄二硫化鉬納米片，通過一系列測試和研究發(fā)現(xiàn)，其有著

4、優(yōu)良的光電化學(xué)，光響應(yīng)，以及電化學(xué)儲能性能。本工作為以后將二維過渡金屬硫?qū)倩衔飸?yīng)用于光電探測器，傳感器，以及能源存儲等領(lǐng)域提供了極大的便利。
　　2.作者利用二維過渡金屬硫?qū)倩衔锛{米片在液相體系中帶電荷的物理特征，采用電泳沉積制備一系列高效的電催化析氫電極。該電極制備方法簡單有效，實驗結(jié)果表明，二硫（硒）化鉬納米片與基底連結(jié)緊密，電催化材料與電極載體之間的電荷轉(zhuǎn)移十分高效。其次，通過選擇三維孔狀碳纖維布，將超薄納米片結(jié)構(gòu)有效地

5、負(fù)載到碳纖維曲面上，極大程度地將過渡金屬硫?qū)倩衔锏拇呋钚晕稽c暴露出來，通過一系列測試證實，該析氫電極具有優(yōu)異的電解水析氫效率和穩(wěn)定性。該工作提出了一個增加催化劑活性位點和提高析氫電極電導(dǎo)有效的路徑，對大規(guī)模應(yīng)用二維過渡金屬硫?qū)倩衔镫姶呋瘎┚哂兄匾慕梃b意義。
　　3.二硒化鈷等非層狀過渡金屬硫?qū)倩衔锉旧砭途哂休^好的電催化活性，但由于晶體結(jié)構(gòu)不同于二硫化鉬等層狀硫?qū)倩衔?，熱力學(xué)生長過程中不易于形成二維納米片結(jié)構(gòu)。作者結(jié)合離

6、子交換路徑和選擇合適形貌的中間過渡產(chǎn)物作為前驅(qū)體，通過水熱法制備出了超薄的二硒化鈷納米片結(jié)構(gòu)。所制備的二硒化鈷納米片僅有1.8 nm厚，并原位生長在碳纖維組成的碳布上，與碳纖維電接觸良好，可直接用作電解水析氫電極。在酸性體系下，所制備的超薄二硒化鈷納米片的電催化性能明顯優(yōu)于一般的二硒化鈷納米顆粒，且體現(xiàn)出其優(yōu)異的穩(wěn)定性。我們的研究結(jié)果進(jìn)一步揭示二維結(jié)構(gòu)有利于暴露更多活性界面，為將來制備更多非層狀過渡金屬硫族化合物二維納米結(jié)構(gòu)和設(shè)計高效的

7、電催化活性材料，提供了重要的借鑒意義，并為以后進(jìn)一步研究其催化反應(yīng)機(jī)理創(chuàng)造了良好的條件。
　　4.材料的催化性質(zhì)本質(zhì)上是由其電子性質(zhì)決定的，過渡金屬硫族化合物具有獨特的成鍵方式和電子結(jié)構(gòu)，易于通過多元金屬組分來調(diào)節(jié)其電子性質(zhì)。作者通過兩步法制備了一系列二元過渡金屬硫?qū)倩衔锒団挘∟ixCo1-xSe2）納米結(jié)構(gòu)。不同的金屬元素將會對過渡金屬硫?qū)倩衔锏碾娮有再|(zhì)和催化活性產(chǎn)生影響。通過調(diào)節(jié)反應(yīng)前驅(qū)體中鎳和鈷的比例，我們還成功制

8、備出含不同鈷鎳比例的二元硒化物納米片結(jié)構(gòu)，以此一系列產(chǎn)物作為研究對象，研究其電催化析氫特性。結(jié)果表明，在酸性體系下，二元硒化鈷鎳的過電位與塔菲爾斜率均好于單純的NiSe2和CoSe2。但不同比例的鈷鎳含量將會對電催化劑的催化活性和穩(wěn)定性分別產(chǎn)生影響。本工作以二維納米結(jié)構(gòu)為研究平臺，通過制備多元金屬硫?qū)倩衔锖驼{(diào)節(jié)不同金屬組分比例，來達(dá)到優(yōu)化電催化活性和探究影響催化活性機(jī)理的目的，這種思路為未來催化劑的設(shè)計以及對二維材料催化活性機(jī)理的研究