新型Co基硫族化合物探索与物性研究

Transition metal chalcogenides have attracted a great deal of interests due to their prominent properties, including superconductivity, thermoelectric property, and transparent conductivity. Recently, experimental and theoretical studies have revealed that new superconductors may exist in Co-based chalcogenides. On the one hand, tetragonal CoS and CoSe, which is isostructural with FeSe superconductor, was prepared in 2016. More importantly, there are considerable similarities between the magnetism of Co(S,Se) and FeSe. Therefore, Co(S,Se) may be tuned into superconductors by further tuning its magnetism. On the other hand, BaCoXO (X=S,Se,Te) possess antiferromagnetic (AFM) Mott insulating states and a d-wave-like superconducting state can emerge by suppressing the AFM ordering through theoretical prediction. So this system also provides a great platform for exploring new superconductors. This project is aimed at the preparation of new Co-based superconductors.We will take full advantage of our enriching experience in sample preparation through solid-phase reaction, electrochemical method, solvothermal synthesis and liquid ammonia process. Based on this project, some new Co-based chalcogenides from the aforementioned two systems will be prepared. Furthermore, new Co-based superconductors may be obtained by means of tuning the magnetism of them.

过渡金属硫族化合物由于其优异的性能，例如超导电性、热电性能以及透明导电性等，在材料科学领域引起了广泛的研究兴趣。最近的实验和理论研究均表明在Co基硫族化合物中可能存在新超导体。一方面，2016年亚稳态的层状新化合物四方相CoS和CoSe被发现。Co(S,Se)的晶体结构和FeSe超导体同构，特别在磁性方面和后者具有高度的类似性，因此可以通过调控该体系化合物的磁性以诱导超导电性。另一方面，理论预测BaCoXO(X=S,Se,Te)是反铁磁Mott绝缘体，通过抑制其反铁磁性可能诱导出d波超导态，因此该体系也是很好的探索新超导体的研究平台。本项目将以探索新型Co基超导体为目标，充分利用我们在固相合成法、电化学法、溶剂热法和液氨法制备样品方面积累的丰富经验，在上述两类材料体系中探索出若干新型Co基硫族化合物；并通过对其磁性的调控，探索新超导体。

项目执行期间通过固相合成法、溶剂热法等方法制备了Co0.85Se、SrCo2As2、Fe1-xCoxPS3、CdS、NiSe2等过渡金属硫族化合物或磷族化合物，并详细研究了其组分、微结构、形貌和性能。通过制备石墨烯状的Co0.85Se并进行硫掺杂，发现活性位点被反转，这有助于增强电催化HER性能。掺杂的硫位比钴位具有更高的活性，氢吸附吉布斯自由能接近于零，这降低了制氢的反应势垒。这项工作揭示了反转活性位点对优化性能的重要价值，为优化其他相关过渡金属硫属元素化物的内在HER活性提供了灵感（论文发表在Angewandte Chemie International Edition，并入选ESI高被引论文）。提出了一种简便有效的一步熔盐合成策略，以制备自支撑的一维Ni-Mo基混合相聚离子化合物纳米棒阵列。由于这种纳米结构暴露出更多的活性位点，以及Ni-Mo之间调制的电子结构加速了电荷转移，所制造的电极具有优异的双功能电解水性能，为制备其他相关的自支撑纳米结构双功能电催化剂提供了启示（论文发表在Chemical Engineering Journal）。利用高功率激光对CdS进行辐照，在CdS表面形成了大量微小的Cd颗粒，不仅增加了材料的比表面积，同时增强了CdS的导电性，加速光生电子-空穴的分离，从而使催化活性有了极大提高（论文发表在Applied Catalysis B: Environmental，并入选热点论文、高被引论文）。共发表SCI论文12篇，授权发明专利3项。