MoS2-xSex纳米片精细结构调控及电催化析氢性能研究

Two-dimensional (2D) layered structure MoS2 nanosheets have some outstanding advantages such as earth abundant resource, low cost and closed theoretical free energy of hydrogen adsorption to the noble metal Pt. However, their poor conductivity and low density of exposed active sites greatly restrict the electrochemical performance. Therefore, this project proposes to adjust the defects and composition of MoS2-xSex nanosheets via precise interlayer modulation and substitution of S by Se element to improve the conductivity and active sites, and significantly increase the hydrogen evolution reaction activity. This project will focus on the methods of interlayer control, analyze the molecular interaction of the intercalated species with doped Se element as well as MoS2 molecular, and meanwhile discover its function to the defects, conductivity, hydrogen absorption and dissociation, and identify the influences of interlayer and composition on the semiconducting properties and electrochemical performance of the MoS2-xSex nanosheets, then finally provide theoretical and technical guidelines for developing advanced electrochemical hydrogen evolution reaction catalysts.

二维层状MoS2纳米片具有资源丰富成本低廉以及与贵金属铂媲美的理论氢吸附自由能等突出优点。然而，MoS2导电性差及活性位点密度低严重限制了其电催化析氢活性。本项目拟通过对MoS2层间距精细调控及Se替代S元素来调控MoS2的缺陷结构和成分，提高MoS2纳米片的导电率和催化活性位点，从而达到大幅度提升电催化析氢性能的目的。本项目将重点研究MoS2-xSex层间结构精细调控的方法，同时探讨插层粒子及掺杂Se元素与MoS2之间的分子相互作用对材料缺陷、导电性、氢吸附和解离的作用规律，揭示并阐明材料层间距与组分变化对MoS2-xSex的半导体特性和电催化析氢性能的影响机制，为发展高性能非贵金属电催化剂提供理论和实验依据。

二维层状MoS2纳米片具有资源丰富成本低廉以及与贵金属铂媲美的理论氢吸附自由能等突出优点。然而，MoS2导电性差及活性位点密度低严重限制了其电催化析氢活性。本项目拟通过对MoS2层间距精细调控及成分替代掺杂来调控MoS2-xSex的缺陷结构和成分，提高MoS2纳米片的导电率和催化活性位点，从而达到大幅度提升电催化析氢性能的目的。本项目具体实施过程中，研究对象先基于MoS2、MoSe2纳米片，后扩展至其他多种层状MX2（M = Mo、W、Ti、Ta、Sn；X = S、Se、Te）纳米片，探讨了这些纳米材料的制备表征以及相关电化学性能（电催化、储能），研究了这些材料层间结构以及功能性粒子对材料缺陷、导电性等的作用规律，进而制备出性能优异结构新颖的电化学电极材料。通过具体的研究我们发现，MX2材料的导电性与活性位点密度显著影响其电催化性能，不仅可以通过碳修饰、掺杂或相转变等方式来提高材料的导电性，还可以通过引入缺陷、位错或设计垂直纳米片来增加MX2纳米片中暴露的边缘活性位点可以显著地提高催化反应活性。在我们很多的工作中，MX2纳米片层间距的宽化引起晶格的畸变而引入众多的缺陷，丰富的缺陷赋予MX2纳米片更多的活性位点，层间距的宽化还进一步改变了材料的电子结构，从而使得该材料具有更加优化的氢吸附自由能（∆GH）。由此，为了建立材料结构-电子行为-催化活性之间的关系，在研究工作中我们调研了调整无机纳米材料电子结构的策略以及发展情况，通过归纳分析表面修饰、应力调制、相变和异质结构等多种优化策略，讨论了纳米材料催化剂中电子行为的调节作用。我们的研究工作为层状二维材料的晶体和缺陷结构精准调控研究提供了新思路，为开发高性能电极材料研究打开了一扇新窗户，为设计高性能的电极材料方面提供理论基础和实验依据。