二维材料边缘组合表面的设计与研制

The edges of two-dimensional (2D) materials exhibit unique catalytic activity due to the enhanced electronic density of states. As these one-atom-thick materials can be stacked layer by layer, it provides new possibilities to accurately control the active sites at the atomic scale. In this project we will aim at the fundamental question of the effective active sites control. Based on our previous studies on van der Waals heterostructures, we propose a new type of surface, the edge composite surface (ECS), which can be seen as the cross section of van der Waals heterostructures. The ECS can expose the edge of each atomic layer in the assembly with the encapsulation of the surface sites, and each edge site can be individually regulated. In this project, we first plan to control the composition, distribution, orientation and electronic state of the active sites on ECS through the strategies including material selection, thickness control, assemble sequence and stacking method. Then, by applying the micro-nano etching method, we will quantitatively control the density of the active sites, and systematically investigate the influences of the composition, arrangement, density and interaction of the active sites on the ECS chemical activities. We will further explore the surface reaction process and possible mechanisms. Our proposal offers a unique 2D platform for precise construction and control of the new surface system at the atomic level.

二维材料的边缘由于特殊的电子结构而表现出独特的反应活性，其单原子层构型以及可层层组装的特点有利于实现活性位点在原子尺度的分散控制。本项目针对如何实现反应活性位点的精确调控这一基本科学问题，基于申请人的前期基础，将设计和制备一种由二维材料边缘可控组装而成的新型组合表面，即二维材料范德华异质结构的纵向截面。该表面可确保二维材料其它位点被完全封装而仅暴露其边缘，且每层边缘位点均可单独调控，位点间原子级洁净。本项目将通过理性设计，利用材料选择、层数控制、组装顺序及堆叠方式等策略，实现组合表面上活性位点的组成、排布、晶格取向及电子态等的原子级可控。采用微纳刻蚀方法大幅增加且定量控制该表面活性位点的密度，深入系统地研究活性位点的成分、排布、密度及相互作用等因素与表面反应性能的关系。并进一步表征和归纳活性位点处表面反应的基本过程和原理。旨在为新型表面结构的原子级精准构建和高效调控提供新的思路。

二维材料的边缘由于特殊的电子结构而表现出独特的反应活性，其单原子层构型以及可层层组装的特点有利于实现活性位点在原子尺度的分散控制。本项目针对如何实现反应活性位点的精确调控这一基本科学问题，设计和制备了一种由二维材料边缘可控组装而成的新型组合表面，即二维材料范德华异质结构的纵向截面。该表面可确保二维材料其它位点被完全封装而仅暴露其边缘，且每层边缘位点均可单独调控，位点间原子级洁净。本项目通过理性设计，精准构建了一系列由具有化学活性二维材料作为活性层的二维范德华异质结构，利用材料选择、位点掺杂、层数控制、组装顺序及堆叠方式等策略，实现组合表面上活性位点的组成、排布及电子态等的原子级可控。结合片上电化学微芯片技术、扫描电化学显微镜技术等先进的表征方法，选择（光）电催化析氢、析氧反应作为探针反应，深入系统地研究了活性位点的成分、排布、密度及相互作用等因素与表面反应性能的关系，表征和归纳了活性位点处表面反应的基本过程和原理，并据此实现了反应性能的优化，为实现表面结构的原子级构建和性能调控提供新的思路和更多可能，为揭示表面反应过程与原理提供重要科学依据。. 本项目结题时已在国际重要学术期刊上发表11篇研究论文，其中影响因子大于10的SCI论文8篇，SCI一区论文10篇。申请发明专利5件。项目执行期间，项目组成员多次参加具有国际影响力的大型学术会议或者专题会议交流展示本项目研究成果，培养了数位优秀的博士研究生和硕士研究生，带动高水平研究基地和科研队伍的建设，并建立了相关领域国际合作网络。