基于亚稳态硫族化合物纳米材料“软化学”性质的表界面工程及性能研究

Metastable chalcogenide nanocrystals exhibit versatile soft chemistry properties, which provide us with fresh perspectives and plentiful grounds for the surface/interface engineering of nanomaterials. For instance, the tunable diversity of components and crystal phases can realize the construction of hetero-surface/interface or invertible phase transition; due to the space confined mobility of metal ions, localized defects and controllable cation/anion exchange can be achieved; regulating the weak interactions between layers and the distorted chemical bonds can make the entire macroscopic structure flexible or ductile. Recently, ultrathin-/hetero-nanostructures, which possess unique surface/interfacial chemical composition and local atomic coordination environment, and novel electronic structures, are attractive for applications in catalysis, optoelectronic devices and energy conversion and storage fields, etc. Related study has become a research focus in the field of nanotechnology. Thus, extending the synthetic library for chalcogenide ultrathin-/hetero-nanomaterials, precisely tuning their surface/interface structures at the atomic level, and significantly enhancing their performances appear to be particularly important. So this project will focus on the synthetic strategy of new ultrathin-/hetero-nanostructures and the surface/interface engineering based on the as synthesized metastable chalcogenide nanomaterials. Furthermore, we will try to investigate the effects of their surface/interfacial structures on specific electrocatalysis, photocatalysis and photoelectric conversion through synchrotron radiation techniques, ultrafast spectroscopic characterizations and density function theory calculation methods.

亚稳态硫族化合物纳米结构具有丰富的“软化学”性质，这为纳米材料的表界面工程提供了全新的视角和广阔的平台。比如，组分和物相呈现多样性且易于调控，可以实现异质表界面的构筑或可逆相变；金属离子具有限域“流动性”，可以在局部制造缺陷态或进行可控离子交换；调变层间的弱相互作用及扭曲的化学键可以使整个宏观结构表现出一定的柔性或延展性。超细和异质纳米材料因其独特的表界面化学组成、原子配位环境及全新的电子态，在催化、光电器件及能源转换与存储等领域有着潜在应用价值，目前已成为纳米科技领域的研究热点。所以拓展硫族化合物超细和异质纳米材料的合成方法学，在原子尺度精确调控其表界面结构，显著增强其性能有着重要意义。本项目旨在探索新型超细和异质纳米材料的合成策略，并发展基于此的亚稳态硫族化合物纳米材料的表界面工程，同时借助同步辐射、超快光谱和理论计算等技术手段进一步探究其表界面结构对特定电催化、光催化、光电转换体系的作用机制。

本项目聚焦亚稳态硫族化合物纳米材料表界面结构的“软化学”调控及光电化学性能研究。基于亚稳态的物相、组分和结构等特征，利用配体调控和前驱物诱导等方法，实现了如多维度晶相异质结构、区域选择性金属-半导体结构、外延集成的多组分复合结构等多种纳米材料的可控合成，探明了所制备材料的维度、晶相、界面和协同效应与电催化、光催化及光电转换的构效关系，为设计合成高效催化和能源材料提供了全新思路。具体如下：建立了在不同维度模板上生长晶相可控超薄纳米片的普适方法，实现了多维度Ni3S4-WS2纳米异质结的三维表界面构筑；发展了在不同化学转化纳米棒上区域选择性生长纳米颗粒的通用方法，合成了具有不同表界面分布和密度的Ag-Co2P异质纳米结构；通过选择性外延生长和离子交换相结合的手段构建了三组分CuInS2-Cd(In)S-MoS2纳米异质结，精准合成了具有宽光谱吸收特性的纳米结构；提出了模块化分割策略制备双助催化剂集成的半导体纳米三合体PdxS-CdS-MoS2，实现了具有分立氧化还原位点催化材料的创制。基于之前系统性的研究工作，阐述了亚稳特性的具体表现形式，如离子的迁移和空位、热不稳定性和结构不稳定性、化学反应活性和晶相转变，以及相应的“软化学”路径，包括离子交换、催化生长、分离或耦合、模板嫁接或化学转化及亚稳晶相的稳定或构建，并利用以上设计原则和转化规律对亚稳态硫族化合物纳米材料进行合成、修饰和功能化。