层状过渡金属硫族化合物单晶纳米筛材料及其在电催化领域的应用

Layered transition metal chalcogenides (TMDs) with various nanostructures demonstrated great potentials in semiconductor electronic devices, hydrodesulfurization, electrocatalytic hydrogen evolution, batteries, photo(electro)catalytic degradation of organic pollutants, etc. It has been proved that increasing the exposure of crystal layer edges is the key to improve the kinetics of those catalytic process or electrochemical process. The preparation of nanostructured TMDs with high exposure of crystal layer edges is still a great challenge. In this project, we design and synthesize single crystal monolayer TMDs nanomeshs by using ordered mesoporous silica materials as hard template via nanocasting strategy. In this method, two-dimensional few layer single crystal TMDs nanomesh directly growth inside the three-dimensional mesoporous pore system. It will be further exfoliated into monolayer nanomeshs. In these materials, the c-axis of the crystal will always be perpendicular to the nanomesh sheet. And therefore the length of crystal layer edges, in where the active sites is located, only determined by the size and distribution density of the nanoholes. This property makes it especially suitable for being used as a model material for the investigation of the relationship between catalytic activity and the length of crystal layer edges. This research may make significant contribution to new energy and environmental field, especially in the area of electrocatalytic hydrogen evolution, photocatalytic degradation of organic pollutants, hydrodesulfurization, and etc.

层状过渡金属硫族化合物的各种纳米结构在半导体电子器件、加氢脱硫、电解水产氢、化学电池、光(电)催化降解有机污染物等领域都具有较大的开发潜力。研究表明，增加该类材料的晶格层边缘暴露量是提高该类材料在相关催化过程及电化学过程动力学的关键。针对目前制备高晶格层边缘暴露量的层状过渡金属硫族化合物纳米结构的困难和不足之处，本项目拟选取该类材料的单层单晶纳米筛结构作为研究对象，以有序介孔二氧化硅材料为模板，通过纳米浇铸方法，在模板材料的三维孔洞空间内直接合成二维少层单晶纳米筛材料，再将其制备成单层单晶纳米筛材料。所设计的材料的c轴垂直于纳米筛片层，其活性位点所在的晶格层边缘长度只和纳米筛面内纳米孔的大小及分布密度有关，特别适合作为模型材料研究相关催化反应的反应速度和晶格层边缘长度之间的定量关系。本项目的研究内容对于电解水产氢、光催化降解有机污染物、加氢脱硫等新能源与环境领域的研究都具有重要研究意义。

层状二维过渡金属硫族化合物（TMDs）类材料作为二维半导体材料近年来在半导体器件、储能、催化等领域得到了广泛的研究关注。在催化和电化学储能领域，大量研究表面这类材料的二维晶格层边缘是其催化或者电化学反应活性位点。但是由晶格层边缘构成的端面（edge plane）具有超高的表面能，因此该类材料的晶体生长过程中总是趋向于减少端面的暴露比例，限制了活性位点的暴露量，本项目以过渡金属硫族化合物（TMDs）类材料为主要研究对象，通过纳米浇铸法合成了TMDs类材料的单晶纳米筛结构，获得晶格层边缘暴露量多且结构规整的新型TMDs纳米结构，包括WSe2和MoSe2单晶纳米筛，WSe2/C复合纳米筛MoTe2超细纳米线，介孔二氧化硅负载的CuCo2O4材料，二维超薄CoS纳米片等，并用于电催化产氢、选择性醇氧化、电催化固氮等催化领域和钠离子电池的应用；通过溶液相合成法得到了TMDs半导体纳米结构材料，包括CdTe纳米片微球，CdSe纳米团，生物合成CdSe量子点等，并研究了发光及催化性能。本项目的主要研究内容基本按原定计划开展，完成了大部分原定研究内容，基本实现预期目标，其中材料的合成种类及发表的论文都超出了原定目标。本研究对新能源和环境领域，特别是在电催化析氢和电催化固氮等领域做出了重要贡献。