二维过渡金属硫化物异质结的构建及其光电/电化学性能研究

Graphene-like layered materials such as two-dimensional transition metal dichalcogenides (TMDs) exhibit a tunable band gap. Especially in a van der Waals heterojunction consisting of various graphene-like layered materials, the modification of its band structure arising at the interface will lead to some different electronic properties from the single layer material. The band structure, photoelectric and electrochemical properties can be tuned as a result. In this research, van der Waals heterojunction structure composed of high-quality ultrathin semiconductive WS2 and metallic VS2 can be achieved by controlled preparation via chemical vapour deposition method. The nucleation, size distribution, shape characteristic, stacking behavior and edge atoms of VS2 on WS2 will be studied. Since the band structure of heterojunction can be regulated with increasing thickness of WS2 layers, the electronic and electrochemical properties can be investigated. The influence of semiconductive and metallic dichalcogenides heterojunction on the photoelectric and electrocatalytic performance will be developed in order to provide theoretical basis for the application of TMDs in the electrode materials of new energy storage devices (supercapacitor and Li-ion battery et al.) and catalyst materials (eg. hydrogen evolution reaction).

二维过渡金属硫化物（TMDs）作为类石墨烯层状材料，其带隙具有随薄膜厚度可调的特点。由两种以上类石墨烯材料组成的范德华异质结构在界面处的能带结构变化，会导致区别于单一层状材料电子结构特性的出现，因此通过改变材料种类，可以实现对异质结构能带、光电及电化学等性质的调控。本课题将以半导体性质的硫化钨（WS2）和金属性质的硫化矾（VS2）范德华异质结构的可控制备为目标，采用化学气相沉积方法制备高质量超薄硫化物层状材料，对VS2在WS2表面的形核特征、尺寸形状、层间堆垛、边缘原子进行研究，通过改变WS2的层数调控材料的能带结构，对界面的电子结构信息和电化学行为进行研究，探索半导体性/金属性硫化物范德华异质结构对材料的光电性能、电催化性能的影响机制，对TMDs在新型储能器件电极材料（超级电容器、锂电池等）、催化剂材料（析氢反应）等领域的应用提供理论依据。

氢能作为清洁可再生能源，在解决能源危机及环境污染问题时具有广阔的应用前景，电催化产氢是一种绿色可持续的制氢方法，所以开发廉价、高效、稳定、过电位低、产氢效率高的电催化剂成为当今研究的热点问题。以铂为代表的贵金属材料的电催化性能优异，但其储量少、价格昂贵，并不适合大规模生产应用。而过渡金属硫族化合物因其来源广泛，价格低廉、电催化性能良好，已经引起研究者们越来越多的关注。.本项目利用化学气相沉积方法和水热法，制备出了具有层状结构的MoS2、MoSe2、WS2、WTe2等过渡金属硫族化合物薄膜，构建了Co9S8/MoS2异质结构和金属性/半导体性的VS2/WS2、ReS2/WS2异质结构，实现了金属性过渡金属硫族化合物在WS2表面的可控制备。通过形貌结构和成分价键等实验表征，系统研究了过渡金属硫族化合物薄膜和范德华异质结的外延生长机制和界面结合方式等，分析了Te原子、P原子、N原子掺杂对过渡金属硫族化合物WS2、Ni3S2、ReS2微观形貌及电子结构的影响关系；结合密度泛函理论和第一性原理对过渡金属硫族化合物的能带结构、态密度等参量进行了计算模拟，阐明了异质结构的构建和杂原子的修饰或掺杂对过渡金属硫族化合物的缺陷密度、带隙宽度、局域电子态密度、差分电荷密度分布的影响机制，揭示了不同材料体系表面水分子的吸附解离和氢原子的吉布斯吸附自由能差异，深入研究了材料的电子结构对电催化性能的影响关系，为电催化剂的合理设计提供了科学的理论依据。此外，借鉴于层状双金属氢氧化物的双功能电催化性能研究，未来将对过渡金属硫族化合物的多功能催化反应过程及作用机理进行更深入的研究。