MoS2/ZnS核壳纳米微腔结构制备及其表面等离激元光发射和光致水解析氢研究

By adopting fabricating methods such as two step CVD growth and hydrothermal synthesis methods combined with laser and plasma etching technology, the synthesis of one-dimensional MoS2/ZnS core-shell nanostructures microcavity will be realized. The properties of surface plasmon polaritons (SPPs) enhanced light emission, stable photoinduced hydrolysis and hydrogen generation based on the core-shell nanostructures will be investigated. This project will investigate the coupling between the exciton polariton and the surface plasmon polariton in the nanostructures microcavity, its effect on the microcavity modes, and the control to the spontaneous emission of the exciton polariton. The project will investigate the coupling effect of the plasmon polariton on the microcavity modes in the whole visible waveband and analyze the dispersion of the coupling. Microscopy fluorescence/Raman, multidimensional spectroscopy probe system and photoelectrochemical test will be utilized to measure the optical, electrical and electrochemical properties of the MoS2/ZnS core-shell nanostructuresas. The nucleation, reconstruction and phase separation process during growth of the materials as well as the surface/interface evolution reaction and physical-chemical mechanism of light-electrical-chemical conversion will be studied by molecular dynamics simulation combined with non-balance Green function. By using first-principle calculation method, the effect of doping, defects state and crystallinity on material electronic structure, SPPs excitation and coupling, photoinduced hydrogen generation performance will be analyzed. The exploration of the construction of beyond diffraction limited, multi-wavelength SPPs nano-laser prototype devices and high stability, visible light induced hydrogen generation testing devices based on the fabricated materials will also be performed.

本项目运用二次CVD、水热合成等方法并结合激光、等离子体刻蚀技术，制备一维MoS2/ZnS核壳纳米微腔结构，并研究其表面等离激元光发射增强效应和稳定光致水解析氢性能。研究该纳米结构微腔中激子极化激元与表面等离激元的耦合规律和该耦合对激子极化激元自发辐射的调控规律。研究表面等离激元在可见光波段内对微腔模式的影响，分析耦合的色散规律。利用显微荧光/拉曼光谱、多维光谱探测系统和光电化学测试等，对MoS2/ZnS核壳纳米结构的光、电、电化学性能进行研究。通过分子动力学模拟结合非平衡格林函数，研究材料生长过程中的成核、再构及相分离的动力学过程、表/界面演化反应和光-电-化学转换的物化机制；通过第一性原理计算掺杂、缺陷态和结晶性对材料电子结构、等离激元激发、耦合和光致水解析氢性能的影响；探索研发基于制备材料的超衍射、多波长等离激元纳米激光和高稳定可见光致析氢测试原理型器件。

本项目顺利完成了计划书所制定的任务，共发表了SCI论文23篇，申请获授权中国发明专利4项。培养出站博士后1名，毕业博士研究生6名，毕业硕士研究生4名。.制备了MoS2/Co3S4空心多面体纳米复合结构并对其进行了电催化析氢、锂离子电池和超级电容器方面的应用研究。该复合空心多面体具有良好的产氢稳定性、更低的阻抗、更高效的氢转换效率。该纳米复合结构的锂离子电极具有极高的可恢复容量和循环稳定性。该纳米复合结构的超级电容器电极具有长期稳定性、较快的电荷转移动力过程和较小的等价系数电阻。制备了ZnS/MoS2复合纳米结构，光催化析氢测试表明该纳米异质复合结构具有良好的光析氢性能。.制备了蛋壳结构的MoS2纳米小球。实验结果证明蛋壳结构的MoS2/C复合结构作为锂离子电极材料时具有较高的电能存储量和较高的倍率放电稳定性。设计制备了单层、少层二维MoS2纳米片、多分枝、多边缘层状二维MoS2、珊瑚状枝晶少层MoS2及石墨烯量子点的复合纳米结构。这些新型的MoS2纳米材料具有极好的电解水析氢能力。.制备了完美的空心结构的MoS2纳米球包围空心结构MoS2微米球材料，形成复杂的双空心纳米结构hH-MoS2。该特殊结构首次应用到电解水析氢催化应用中，并展现出相对较低的HER反应开启过电压和塔菲尔斜率以及优良的催化循环稳定性。.利用水热合成法制备了掺W的MoWS2纳米结构，通过对MoS2纳米结构不同程度的掺杂实验和理论计算表明，该掺杂的复合材料具有优于纯结构HER活性催化析氢性能。制备了MoS2@Graphene花瓣型纳米复合结构，该复合结构的析氢反应催化能力明显强于纯结构材料。.制备了球棍结构的α-MoO3@MoS2复合结构，光电流测试、光致发光及第一性原理计算表明该材料具有显著的电荷、光生载流子分离和优良的光催化特性。制备了花状MoS2@BiVO4复合结构，光催化实验表明该复合结构的光催化活性显著强于两种纯净结构。.对双层WSe2/MoS2以及WSe2-MoS2异质结在应力和电场下的能带调控进行了理论计算，系统研究了WSe2-MoS2异质结在一个较大的应力/电场范围内的电子结构演变。证明了该异质结的带隙及导电类型可以通过施加不同强度与方向的应变或者外加电场进行精确地调控。