二维MoSe2、MoS2纳米片在一维纳米线上的边缘外延生长

近年来，构建以二维材料为基础的异质结由于其在光电子器件、热电子器件以及催化等领域的潜在应用，受到研究者的广泛关注。如何设计和制备基于二维材料的异质结，尤其是横向外延异质结是该领域面临的一大挑战。由于其特殊的二维晶体结构与传统的晶体（面心立方、密排六方等结构）有较大差异，目前横向外延异质结的构建仅局限于二维材料，即都具有相同的二维晶体结构，比如MoS₂-MoSe₂，MoS₂-WS₂，MoSe₂-WS₂等。然而，二维材料以边缘接触的方式，横向外延生长在非二维材料表面尚未见报道。

最近，新加坡南洋理工大学张华教授课题组和中科院物理所谷林教授课题组，以及沙特国王科技大学韩宇教授课题组合作，利用Cu_2-xS纳米线为模板, 以乙酰丙酮钼为钼源，在高温下（200摄氏度）用蠕动泵缓慢注入硫源或硒源，实现了MoS₂或MoSe₂以边缘接触的方式垂直外延生长在一维Cu_2-xS纳米线上。MoS₂和MoSe₂的生长密度以及纳米片的大小可以通过控制注入的硫源或硒源的量来调整。重要的是，所制备的Cu_2-xS-MoS₂可以用阳离子交换的方式转化成CdS-MoS₂，且得到的CdS-MoS₂可以保持原有的形貌不变。在光解水制氢中 CdS-MoS₂显示出优异的催化性能。负载7.7 wt% MoS₂的异质结其制氢速率达4,647 μmol•h⁻¹•g⁻¹，是纯CdS的58倍。此工作的相关结果发表在国际著名期刊Journal of American Chemical Society 上。

为了清楚地了解这种异质结的界面结构，研究人员利用球差校正电镜进行了一系列的表征。结果表明所制备的Cu_2-xS-MoSe₂异质结由三种物相组成，Cu_2-xS是由Cu_1.94S和Cu₂S组成的核-壳结构，而MoSe₂ 则垂直生长在Cu₂S壳的表面。结构分析显示MoSe₂ 与Cu₂S之间是晶格匹配的外延生长，MoSe₂（002）面的面间距（0.66 nm）恰好是Cu₂S（002）面间距（0.33 nm）的两倍；匹配的晶体结构是构建这种特殊异质结的关键。进一步分析显示，MoSe₂ 晶体中的Mo原子层位于Cu₂S晶体的两层Cu原子层中间，这意味着MoSe₂ 中Se原子层与Cu₂S晶体中的Cu原子层直接接触。由于MoS₂催化的活性位点在其边缘，MoS₂垂直生长在基底表面能暴露更多的催化活性位点。这就是为什么在该研究中通过阳离子交换得到的CdS-MoS₂异质结具有高催化活性的重要原因。

此项研究成果为发展制备以二维材料为基础的新型异质结提供了新的思路，使得构建二维材料-非二维材料横向外延异质结成为可能。同时此研究对半导体异质结在光解水制氢当中的应用有着积极的推动作用，势必对以后半导体异质结光催化剂的设计带来全新的启发。

该论文作者为：Junze Chen, Xue-Jun Wu, Yue Gong, Yihan Zhu, Zhenzhong Yang, Bing Li, Qipeng Lu, Yifu Yu, Shikui Han, Zhicheng Zhang, Yun Zong, Yu Han, Lin Gu, and Hua Zhang.

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Edge Epitaxy of Two-Dimensional MoSe₂ and MoS₂ Nanosheets on One-Dimensional Nanowires

J. Am. Chem. Soc., 2017, 139, 8653–8660, DOI: 10.1021/jacs.7b03752

张华教授简介

张华，新加坡南洋理工大学教授。研究兴趣主要包括超薄二维纳米材料的合成及其在生物传感器、清洁能源等方面的应用等。已在Science, Nat. Chem., Nat. Rev. Mater., Nat. Commun., Sci. Adv., Nat. Protocols, Chem. Rev. 等诸多国际顶级刊物上发表SCI论文420余篇，其中影响因子大于10的论文172篇，被引用41,300余次，web of science的H因子高达98。张华教授连续多年被汤姆森路透集团统计为国际高被引学者。2014年被汤姆森路透集团评为全球17位热门科学家之一和材料领域世界最有影响力的科学家。张华教授获得了诸多奖项：2016年获得Nanoscience 青年研究员奖，2015年获得ACS Nano 讲座奖，2013年获得世界文化理事会（WCC）的特别表彰奖等，在其研究领域做出了杰出的贡献。

张华

http://www.x-mol.com/university/faculty/39443

课题组链接

http://www.ntu.edu.sg/home/hzhang/