二维金属相过渡金属硫化物/层状双氢氧化物超晶格结构在电催化中的应用

Two-dimensional (2D) genuine unilamellar nanosheets, namely as the elementary building blocks of the layered crystals, have been widely used in catalysis and energy-related applications due to their unique electronic structures and physicochemical properties. Molecular-scale hetero-assembly of these unilamellar nanosheets for a periodic structure of alternate stacking, the superlattice-like structures, is expected to fully utilize the strong electronic coupling interactions between different unilamellar nanosheets for efficient electrochemical energy conversion with high activity and long stability. In this project, two kinds of 2D unilamellar nanosheets, the metallic transition metal sulfide nanosheets and layered double hydroxide nanosheets, will be alternately assembled into a 2D superlattice-like structure through facile solution-phase hetero-assembly methods. These molecular-scale integrated superlattices are able to not only prevent self-stacking/agglomeration of unilamellar nanosheets, providing abundant active sites continuously, but also fully utilize the high hydrogen and oxygen evolution activities of metallic transition metal sulfide nanosheets and layered double hydroxide nanosheets, respectively, for ultimately improved activity of overall electrochemical water splitting. This project will investigate the synergistic effects at the hetero-interfaces of different 2D superlattice-like structures for electrocatalytic activities, thus approaching ultimately enhanced performance via interface modulation. The results of this project will provide a new possibility for fundamental understanding and practical applications of 2D unilamellar nanosheets and tailored heterostructures from them for energy storage and conversion applications.

二维真正单层纳米片，即层状材料的基本组成单元，由于其独特的电子结构和物化性质而被广泛应用于催化及能源领域。在分子尺度上将这些单层纳米片进行组装所形成的交替堆叠的周期性结构，二维超晶格结构，有望利用不同单层纳米片之间的强电子耦合效应，在电化学催化领域产生高的活性和稳定性。本项目拟采用简易的液相组装法将金属相过渡金属硫化物和层状双氢氧化物纳米片交替堆叠在一起形成二维超晶格结构。这种基于两种二维单层纳米片间分子尺度复合的纳米结构，不仅能够抑制同种单层纳米片间的团聚问题，持续提供大量的活性位点，而且有望充分利用两种不同二维单层纳米片的析氢和析氧活性，获得极限提升的全水解催化性能。本项目拟研究不同二维超晶格结构在异质界面处的协同效应对催化性能的影响，获得通过界面调控提高电化学性能的方法。本项目的研究成果对于二维纳米片及其复合结构在电化学能量存储及转换领域的基础研究及实际应用提供了一种新的思路和方法。

随着化石燃料的加速消耗和环境问题，先进的能源转换技术引起了学术界和工业界的广泛关注。目前大量研究结果表明，基于电催化反应的能量转换是一种很有前途的策略，它可以通过化学键跃迁高效灵活地转换能量。二维材料由于其独特的电子结构和物化性质而被广泛应用于电化学催化及能源转换领域。近年来，这些二维材料不仅可以作为基本结构基元在原子分子尺度上进行组装形成人工二维超晶格结构，而且可以作为非贵金属原子级分散催化剂载体，在电化学催化领域产生高的活性和稳定性。本项目首先采用简易的液相组装法将金属相过渡金属硫化物和层状双氢氧化物纳米片交替堆叠在一起形成二维超晶格结构，并系统研究了其作为电化学析氢和析氧反应催化剂的催化活性，揭示了二维超晶格结构中原子分子尺度异质界面耦合作用能够促进催化反应中间体的吸附脱附，持续提供大量的活性位点，从而获得极限提升的全水解催化性能。接着采用所设计的二维材料为载体负载过渡金属单原子催化剂，利用单原子与二维载体之间的强界面耦合相互作用，构建出高催化性能和稳定性的原子级催化剂。基于所设计制备的双单原子催化剂所组装的锌空电池具有较高的开路电压、较好的倍率放电性能和长循环稳定，在实际应用中具有较高的潜力。最后本项目将这种界面耦合作用机制推广到钙钛矿氧化物电催化剂的设计和制备中，利用碘元素对钙钛矿氧化物中不同位点的界面相互作用不同，实现了双位点掺杂，极大提升了电化学催化性能。本项目的研究成果不仅有助于进一步理解二维材料异质界面在电化学能量转换领域的作用机制，还推动了二维材料在催化领域的实用化进程。