二硒化钨催化剂电催化析氢研究进展

介绍了二硒化钨催化剂的主要制备方法及其在电催化析氢中的最新研究进展,分析了二硒化钨催化剂高效析氢的策略,并对未来的研究方向进行了展望。

液态前驱体化学气相沉积法生长单层二硒化钨

化学气相沉积(CVD)是实现二维(2D)过渡金属硫族化合物(TMDs)制备的简单有效方法。晶核位置的随机分布和生长可控性差是当前实现大面积高质量制备TMDs的一项巨大挑战。本工作以单层二硒化钨的生长为例,采用液态前驱体并调控其浓度使微量金属前驱体高度均匀地分散在生长衬底表面,可有效诱导低过饱和度,从而降低成核密度,最终得到组分分布均匀、高质量的单层二硒化钨。这种液态前驱体化学气相沉积技术可以推广到其他2D材料的生长,为大面积、均匀的高质量2D材料的生长提供了一种更有效的方式。

硒化钨花状纳米晶的可控合成及电催化产氢性能研究

采用胶体化学法,以氧化钨(W_(18)O_(49))为钨源制备出花状硒化钨纳米晶。采用透射电子显微镜(TEM)、高分辨透射电镜(HRTEM)和X射线衍射(XRD)手段对硒化钨纳米晶进行表征。本文对硒化钨花状纳米晶体的可控合成进行了初步探索,同时对烧结后的硒化钨纳米晶进行了电催化产氢测试。结果表明,硒化钨花状纳米晶具有良好的电催化性能。

非金属元素掺杂二硒化钨/石墨烯异质结对其肖特基调控的理论研究

采用平面波超软赝势方法研究了非金属元素掺杂对二硒化钨/石墨烯肖特基电子特性的影响.研究表明二硒化钨与石墨烯层间以范德瓦耳斯力结合形成稳定的结构.能带结果表明二硒化钨与石墨烯在稳定层间距下形成n型肖特基势垒.三维电子密度差分图表明石墨烯中的电子向二硒化钨移动,使二硒化钨表面带负电,石墨烯表面带正电,界面形成内建电场.分析表明,将非金属原子掺杂二硒化钨可以有效地调控二硒化钨/石墨烯肖特基势垒的类型和高度. C, O原子掺杂二硒化钨时,肖特基类型由p型转化为n型,并有效降低了肖特基势垒的高度;N, B原子掺杂二硒化钨时,掺杂二硒化钨体系表现出金属性,与石墨烯接触表现为欧姆接触.本文结果可为二维场效应晶体管的设计与制作提供相关指导.

声子振动对硒硫化钼/碲硒化钨异质双层电子结构影响的理论研究

文章以硒硫化钼/碲硒化钨异质双层结构为研究对象,采用基于密度泛函理论(density functional theory,DFT)的第一性原理计算方法,研究界面堆叠形式对体系电子结构的影响。结果表明:4种不同堆叠构型均表现出Ⅱ型能带对齐关系,但具有不同的层间带隙;计算能量最稳定的Te-Se构型的振动结构,发现平面和垂直声子模式的振动分布均表现出高度的空间局域特性;进一步研究频率为425、339、225、204 cm的声子模式对Te-Se构型电子结构的影响,表明激发垂直声子振动能引起界面距离、层内带隙及跃迁偶极矩的显著变化,而且该变化与电子态和声子振动的空间局域性密切相关。研究结果深化了声子振动对过渡金属硫族化合物异质层电子结构影响的认识,为利用声子调控光催化性能提供了理论支撑。

二硒化钨-银/氮掺杂石墨烯纳米复合光催化剂的制备及其降解有机废水

利用Hummers法制得了氧化石墨烯,通过固相合成法制备了二硒化钨,采用常温还原法制备银纳米粒子,将制备的二硒化钨、氧化石墨烯和尿素按照一定比例混合,通过水热合成法制备二硒化钨-氮掺杂石墨烯复合物,以制备的纳米复合物为原料,与银纳米粒子在乙二胺中超声复合得到二硒化钨-银/氮掺杂石墨烯纳米复合光催化剂。利用SEM、XRD、TEM等方法对制备的纳米材料进行了表征。通过光催化降解亚甲基蓝溶液研究复合光催化剂催化性能。实验结果表明:复合光催化剂中银的质量分数为20%时,降解浓度为4.0×10-5 mol·L-1的亚甲基蓝溶液,降解效果最佳,可达到97.8%,高于单纯的二硒化钨和传统的二氧化钛光催化剂。同时复合光催化剂对甲基橙、罗丹明B溶液也具有较好的光催化降解作用,降解浓度为4.0×10-5 mol·L-1的甲基橙、罗丹明B溶液的降解率分别为56.3%、62.3%左右。

CVD法制备单层二硒化钨薄膜及其生长机制研究

二硒化钨(WSe2)是一种具有较高带隙的半导体材料,其结构类似于石墨烯,具有优异的光电特性,在互补逻辑电路、场效应晶体管以及气敏传感器等领域具有潜在的应用价值。本实验采用化学气相沉积法(CVD)实现了大面积、高质量单层WSe2薄膜的制备,利用XPS、AFM、Raman对薄膜进行了表征,探究了基片到钨源的距离和生长温度对样品的形貌、尺寸及形核密度的影响。从晶体生长学的角度,用不同n(W):n(Se)(■0.5,>0.5,=0.5)生长模型解释了不同形貌WSe2薄膜的生长机制,为可调控二维半导体单层薄膜制备工艺的优化提供了参考。

硒化钨薄膜的制备与光电特性研究

采用热蒸发法在硅片上沉积了不同微结构的硒化钨(WSe2)薄膜,研究了薄膜的晶体结构和光电特性。发现WSe2薄膜在(004)晶面择优生长,表面呈现垂直柱状纳米线。同时,WSe2薄膜在406 nm处出现较强的蓝光发射,这是由于量子尺寸效应导致的WSe2导带与价带形成的分离能级产生的短波长发射,使其可用于制备蓝光发光器件。另外,发现该WSe2薄膜对光照和温度非常敏感。随温度升高薄膜的电阻率显著减小,使其可用于制备温度传感器;随光照射强度增加由0增加到25 mW·cm^(-2),WSe2薄膜的I-V曲线由整流特性逐步变成线性;相同偏压下光电流几乎增加了3倍,表现出较很高的灵敏度,使其在敏感光电探测器中有良好的应用前景。

硒化钨拉曼光谱层数效应

应用键弛豫理论(BOLS)对层状硒化钨材料的拉曼光谱进行定量分析,得出了硒化钨层数与键参数的数值函数关系。澄清了硒化钨拉曼频移层数效应的内在起因:硒化钨层数增加时,拉曼振动模A1g发生蓝移是由于最近邻原子的影响;成键原子控制着硒化钨拉曼E12g模和B12g模的红移。

基于简单液相法对单层二硒化钨表面电荷掺杂的研究

本实验利用质量分数为40%的硫酸铵((NH4)2SO4)溶液在相对较低的温度条件下实现了对单层二硒化钨(WSe2)的高效n型掺杂,同时利用浓度为18 mol/L的浓硫酸(H 2SO4)对单层WSe2样品在常温下进行浸泡处理,实现了对该材料的p型掺杂。将本实验的n型掺杂样品分别置于不同温度下反应,探索出单层WSe2在液相环境下高效掺杂反应稳定存在的临界温度为140℃。进一步地,通过抽真空和超纯水清洗的手段可分别实现对n型掺杂和p型掺杂WSe2的可回复调控。另外,研究还发现,对样品首先利用(NH4)2SO4溶液进行n型掺杂,再利用浓H2SO4进行p型掺杂的处理,可显著增强p型掺杂的效果。通过对单层WSe2进行简单有效的电荷掺杂,不但可以对其光致发光特性进行相关调制,还为基于WSe2的柔性半导体材料器件的设计提供了科学基础。

基于高性能二维二硒化钨的光电探测器

通过物理气相沉积(PVD)方法制备了二维二硒化钨(WSe_2)材料,并与利用化学气相沉积(CVD)方法制备的材料进行对比,证明了其具有不同的导电类型和更好的电学性质.利用两种不同工艺所得材料分别为p型和n型导电的性质,制备了由同种WSe_2材料组成的pn结器件.测试结果表明,该器件在黑暗条件下具有单向整流性和对光照极灵敏的响应度,证明了其在光电器件应用领域具有广泛的发展前景.

应变对单层硒化钨能带结构的影响研究

通过拉曼光谱和光致发光光谱分别揭示了单层硒化钨在施加单轴拉伸应变情况下的带隙能量变化。应变可以诱导单层硒化钨由直接带隙半导体转变为间接带隙半导体,并且在整个应变范围内,直接带隙峰和间接带隙峰均出现明显的红移。应变还对晶格震动有影响,对面内震动模式E2g1观察到明显的峰分裂。这些发现丰富了对单层过渡金属二硫化物材料应变状态的理解。

溶剂热法制备硒化钨纳米花及其气敏性能研究

以N,N-二甲基甲酰胺为分散剂,亚硒酸钠和钨酸钠为原料,采用溶剂热法制备了由超薄二维层状纳米片堆叠而成的花状硒化钨纳米材料,并研究了其气敏性能。通过X射线粉末衍射(XRD)、扫描电子显微镜(SEM)和透射电子显微镜(TEM)等方法对合成材料进行了结构表征。结果表明:合成的花状纳米硒化钨为六方晶相,在三乙胺、氨水、三甲胺、苯胺、甲酰胺等胺类气体的检测中,对三乙胺气体具有高选择性和超快的响应恢复速率。在最佳工作温度220℃下,传感器对体积分数为50×10^(-6)的三乙胺的响应灵敏度达到20.1,其响应、恢复时间分别为6 s和3 s,最低检出限为0.3×10^(-6)。对硒化钨材料的气敏机理也进行了讨论,该材料在气敏领域有着潜在的应用前景。

锂硫电池中硒缺陷WSe_(2)催化性能的理论研究

二硒化钨具有优异导电性、高比表面积和大间距层状结构等特点,能作为催化材料有效提升锂硫电池的性能;然而少量的边缘活性位点阻碍了其催化活性的进一步提升.通过引入原子空位制造表面缺陷,可使其暴露更多的表面活性位点,提高催化活性.本文通过第一性原理计算考察了不同Se空位缺陷浓度(3.125%,6.25%,9.375%和12.5%)WSe_(2)表面的多硫化物吸附能力、锂离子迁移能力和多硫化物转化能力,探究了缺陷改性硒化钨在锂硫电池中的应用潜力.结果表明,6.25%中等空位缺陷浓度的WSe_(2)表面具有适中的多硫化物吸附能力、快速的锂离子迁移和对于充电放电过程的同步促进作用,是最优势的表面;3.125%的低空位缺陷WSe_(2)表面对于多硫化物吸附、锂离子迁移和充放电过程均不利;9.375%和12.5%的高空位缺陷WSe_(2)表面虽然有利于锂离子迁移,但是对于短链多硫化物的吸附能力过强,同时不利于放电过程.

高压下WSe_2的电学性质及金属化相变

利用高压原位电阻率测量技术,观察0～48.2 GPa内WSe2电阻率随压强的变化规律,并测量了WSe2电阻率在不同压强下随温度的变化关系.结果表明:WSe2电阻率在压力作用下的变化规律与杂质能级压致离化后的传导有关;由于压致能隙闭合,WSe2在38.1 GPa时发生等结构的半导体性到金属性的相转变.

WSe_2的制备及其电化学性能研究

以固相合成法与水热法制备二硒化钨(WSe_2),通过XRD、SEM、TEM、EDS对其结构、形貌及元素含量进行了分析,XRD显示为六方晶系,SEM、TEM显示两种方法得到了两种形貌不同的WSe_2材料,EDS显示两种形貌的WSe_2材料的元素比均接近理论值。将所得两种形貌的WSe_2用于电化学研究,结果表明,水热法制备得到的WSe_2的电化学性能优于固相合成法得到的WSe_2。

富缺陷晶态WSe2纳米片:一种潜在的高效低成本析氢反应电催化剂（英文）

氢是高效的清洁能源,在应对全球能源危机和环境污染方面具有重要作用。电解水制氢是通过消耗可再生的电能(水电、光电、风电等)和储量丰富的水资源以获得氢气,该方法制氢颇具应用前景。然而,电解水过程中的析氢反应(HER)动力学迟缓、过电位高,导致制氢能耗较大。为提升析氢反应速率,需在电解水设备中引入贵金属作为催化剂,这进一步增加了制氢成本。开发高效低成本的析氢催化剂对电解水制氢的规模化应用至关重要。过渡金属硫属化合物(TMDs)因具有独特的层状结构和较低的氢原子吸附自由能,表现出良好的析氢催化活性,有望成为贵金属催化剂的替代品。近年来,MoS2、WS2、TiS2、TaS2、MoSe2、WSe2等TMDs材料被广泛用于催化析氢反应。TMDs的边缘位点被认为是其催化活性中心,且材料的催化性能与边缘位点数成正比。研究表明,通过缺陷调控增加边缘位点数是提升TMDs催化活性的不二法门。液相加工及其他低温合成法是目前制备富缺陷TMDs析氢催化剂的有效手段,然而该条件下得到的材料结晶性差、易发生电化学腐蚀、析氢稳定性低。高温处理可合成高结晶性的TMDs,具有较好的电化学稳定性。但高温结晶会使材料比表面积减小、缺陷和边缘位点数减少,造成催化活性不佳。采用化学/电化学剥离晶态TMDs样品,可在室温条件下制备富缺陷晶态TMDs析氢催化剂。然而,此方法受限于易燃溶剂的使用,且制备过程繁琐,难以实现规模化生产。因此,富缺陷晶态TMDs的制备,是高效析氢催化剂领域的研究重点和难点。在已报道的TMDs中,WSe2因带隙小(1.6 eV)、导电性好而备受关注,引发了微纳WSe2催化剂的研究热潮。其中,片状WSe2有利于材料活性位点与电解液直接接触,通常表现出更优异的析氢催化活性。类似其他TMDs材料,富缺陷晶态WSe2纳米片的制备,目前仍难以实现。本工作以WO3和Se粉为原料,先在高温条件下合成高结晶度WSe2,再经超声剥离得到晶态的WSe2纳米片。在随后的长时间超声作用下,晶态WSe2纳米片表面会进一步产生许多纳米级的岛状颗粒,得到富缺陷晶态WSe2纳米片材料。选区衍射分析表明,岛状颗粒的引入使WSe2纳米片新增了多晶衍射环。同时,材料的BET比表面积高达105.2 m2·g-1,且具有更宽的孔径分布和更大的孔体积。在三电极条件下,以0.5 mol/L H2SO4为电解液,富缺陷晶态WSe2纳米片在10 mA·cm-2时的过电位仅为277 mV,远低于未剥离的WSe2材料(385 mV)。此外,富缺陷晶态WSe2纳米片的Tafel斜率(58 mV·dec-1)也明显低于剥离前的WSe2(81 mV·dec-1)催化剂。虽然富缺陷晶态WSe2纳米片的析氢催化活性与商用Pt/C (20%)贵金属材料相比仍有一定差距,但其成本较低,在大规模电解水制氢产业中仍有重要应用价值。交流阻抗测试进一步表明,富缺陷晶态WSe2纳米片具有更低的电荷转移电阻,可有效提升析氢反应的电极动力学过程。长时间电解水析氢测试表明,富缺陷晶态WSe2纳米片不仅具有高的析氢催化活性,还具有良好的电化学稳定性。富缺陷晶态WSe2纳米片卓越的电化学性能主要得益于以下两点:一方面,超声剥离减小了催化剂的尺寸、增加了比表面积、拓宽了孔径分布,形成了富缺陷的WSe2结构;另一方面,较高的结晶性使材料能够抵御电化学腐蚀,在析氢反应中表现出良好的稳定性。

WSe_(2)/Ag_(3)PO_(4)复合材料的合成与光催化性能研究

通过原位沉积法制备了WSe_(2)/Ag_(3)PO_(4)复合材料,采用扫描电镜(SEM)、X射线光电子能谱(XPS)、X射线衍射(XRD)等技术表征了WSe_(2)/Ag_(3)PO_(4)复合材料的形貌、表面成分.在可见光条件下,亚甲基蓝(MB)光催化实验结果表明,WSe_(2)/Ag_(3)PO_(4)复合材料的光催化性能较Ag_(3)PO_(4)显著增强,其中WSe_(2)质量分数为6.5%的WSe_(2)/Ag_(3)PO_(4)对MB的去除率最高,达到98.5%,是Ag_(3)PO_(4)的1.99倍.6次连续光催化降解MB后,WSe_(2)/Ag_(3)PO_(4)复合材料对MB仍有92.1%的去除率,说明该材料具有良好的稳定性和可循环使用性.活性基团捕获实验表明,在该反应体系中,3种自由基皆参与到MB降解过程中,其中h^(+)发挥了主要作用,·O_(2)^(-)次之,·OH^(-)较低.

曲面上化学气相沉积的二维材料研究

过渡金属硫系化合物二维材料因其体积小、直接带隙发光等特点,可作为微纳光学结构的优异介质材料而受到广泛关注。通过转移法得到的二维材料微纳光学结构,如光学微腔、微纳传感器等,容易引起材料污染和破损,对结构的功能特性影响很大。通过化学气相沉积法(CVD),将硒化钨直接沉积在6μm直径的二氧化硅(SiO2)微球上,对微球上的材料进行成分表征,证明在微球上生长出了二维材料硒化钨,且证明了通过化学气相沉积法在曲面上沉积二维材料是可行的。这种化学气相沉积法直接生长的二维材料微纳球腔,有望应用于高性能光学传感器和微纳光源器件中。

稀土元素(La、Eu、Ho)掺杂单层WSe_(2)的第一性原理研究

单层二硒化钨(WSe_(2))是一种具有良好的热稳定性、电子运输和大面积可扩展性的优秀特性。基于密度泛函理论,利用第一性原理计算研究了稀土元素(La、Eu、Ho)掺杂单层WSe_(2)的结构、电学性质和光学性质。采用稀土元素(La、Eu、Ho)掺杂使单层WSe_(2)呈现P型导电传输特性,增强了导电性能,展现半金属特性。此外,La、Eu、Ho掺杂后,提高了单层WSe_(2)在红外光区的光探测能力和对可见光的利用率,在深紫外区域也具有应用潜力。研究结果证明了La、Eu、Ho掺杂单层WSe_(2)的电学性质、光学性质和扩大其应用方面的重要性。