二维过渡金属硫属化合物的原位插层、相变调控及精细表征

Two dimensional layered transition metal dichalcogenides (TMDs) show a unique combination of optical and electrical properties that have attracted many attentions. Similar to graphite, TMDs have lamellar structure, in which additional intercalated agents can overcome the interaction between interlayers and enter into the Van der Walls interspace, resulting in new layered intercalation compounds with various functions. Thus, it is predictive that the electrical structure and intrinsic properties of TMDs can be tuned and engineered by intercalating different guest agents. This will enrich TMDs’ broad potential applications in the fields of optoelectrical device, energy storage and conversion, optical and electrical catalysis. Our proposed research will focus on the controllable preparation of new tungsten disulphide (WS2) and molybdenum disulfide (MoS2)-based intercalations with different structures and phases by using a bottom-up synthesis method. Combining with density functional theory calculation, we will employ high-angle annular dark-field scanning transmission electron microscopy, synchrotron radiation-based characterization techniques to systemically investigate the microstructure and phase transition of the intercalated materials. Meanwhile, the comparison study of physical properties before and after intercalated treatment will be carried out the samples in order to find its potential applications in optoelectronic, photothermal and catalysis fields. In combination with theoretical calculations, we will gain deep insight into the intrinsic relationship between the intercalated structures and their physical properties. We believe that this study can open up a new route to realization of related structure and phase engineering in TMDs to greatly extend their potential applications.

层状过渡金属硫属化合物（TMDs）具有优异的光、电等特性，一直备受人们的关注。TMDs的晶体学结构与石墨类似, 外来插层剂可以克服层与层之间的作用力，进入其范德华间隙形成具有不同功能的新型插层材料。因此，不同种类插层剂的插入能够在原子尺度上实现对TMDs的电子结构和本征物性的调控, 从而使其在光电子器件、能源存储与转化以及光电催化等领域有着更加广阔的应用前景。本项目拟选取二硫化钨和二硫化钼为具体研究对象，采用自下而上的原位插层方法，可控合成出具有不同结构和物相的新型插层材料；通过原子分辨的电镜观测和同步辐射多种表征手段，并结合多种理论模拟方法，深入揭示插层材料的微观结构和相变行为；研究客体的插入所带来的物理性能的变化，揭示不同插层结构与性能的构效关系，并探索其在光电、光热和催化等领域的潜在应用。本项目的研究将为TMDs的原位插层和相变调控提供新方法，并将拓展二维材料研究体系及其应用领域。

按照年度计划，项目组成员围绕二维过渡金属硫属化合物的原位插层、相变调控和同步辐射精细表征，逐步开展系统性研究工作。我们成功地设计合成多种新型层状插层化合物材料体系，利用同步辐射X射线谱学联用原子分辨电镜技术，重点探索了插层新材料的局域结构、电子结构以及相变行为，揭示了不同客体插层剂的插入所带来的物理和化学性能的变化规律。同时，结合同步辐射吸收谱拟合和第一性理论计算，归纳了插层化合物的微观结构与性能之间的内在联系。项目研究结果可以为硫属化合物新材料的理性设计和相变调控提供坚实的实验基础，也为插层新结构的同步辐射表征积累了丰富的研究经验。本项目执行期间，相关的成果共计发表SCI论文50余篇，包括Nature Energy，Advanced Materials（5篇），Advanced Energy Materials（4篇），ACS Nano（4篇）等，申请中国发明专利3项。项目组成员应邀撰写同步辐射表征与插层材料的相关综述，并多次在国际会议上做相关的项目成果报告。此外，本项目执行期间，共培养博士16名（包含6位外国留学生）、硕士6名，其中5位研究生获得国家研究生奖学金，1位博士生获得中科大优秀博士论文，1位博士生获得国家留学基金委优秀来华留学生奖。在本项目的资助下，项目组已经形成了同步辐射实验方法与新材料设计紧密结合、原位表征技术特色鲜明的青年队伍，将为后续科学研究和项目承担提供宝贵的管理经验和人员储备。