MoS_(2)/ZnO异质结纳米材料降解亚甲基蓝的光催化性能研究

为了提高ZnO的光转换效率,选用带隙较低的MoS_(2)形成异质结提高ZnO的光催化性能。通过水热法制备ZnO纳米棒,并进一步制备MoS_(2)/ZnO异质结构的纳米复合材料。通过扫描电镜(SEM)、X射线粉末衍射仪(XRD)、固体紫外可见漫反射测试仪(UV-Vis)和紫外可见分光光度计(UV-245)等分析方法对样品的形貌、结构及光学性能等进行表征。结果表明,MoS_(2)/ZnO异质结复合材料呈棒状结构,并由于内建电场存在可有效增强光生载流子的分离效率,进而提高了可见光区的吸收,提高了光催化性能。在模拟太阳光(包含紫外波段)下,60 min时MoS_(2)-15/ZnO纳米复合材料对亚甲基蓝的降解率可达99%,比纯ZnO的降解率提高了10%。

MoS_(2)/F-TiO_(2)异质结的制备及光降解罗丹明B性能研究

构建异质结型光催化剂是提高半导体光催化性能的有效方法之一,同时也是光催化处理有机废水的重要技术策略.采用沉淀胶溶法制备出F-TiO_(2),并与MoS_(2)复合构建兼具吸附-光催化性能的MoS_(2)/FTiO_(2)异质结.采用扫描电子显微镜(SEM)、比表面积分析仪(BET)、X射线衍射仪(XRD)、傅里叶变换红外光谱仪(FTIR)、紫可见吸收光谱(UV-Vis-Abs)、X射线光电子能谱仪(XPS)等技术分别对MoS_(2)/FTiO_(2)复合材料进行表征,研究了MoS_(2)/F-TiO_(2)的光催化性能.结果表明,1.0%MoS_(2)/F-TiO_(2)在降解有机污染物罗丹明B(RhB)溶液过程中表现出优异的光催化活性和稳定性.MoS_(2)和F-TiO_(2)形成异质结催化剂有效抑制光生载流子复合,提高光生电子和空穴分离率和寿命,从而产生更多羟基自由基和超氧自由基以提高光催化效率;并且1.0%MoS_(2)/F-TiO_(2)异质结具有较大的比表面积,可增加催化反应的活性位点和有机物在材料表面的吸附,使其35 min后降解率高达95.73%,显著高于纯TiO_(2)和F-TiO_(2).此外,MoS_(2)/FTiO_(2)复合材料具有良好的循环稳定性,经过5次重复降解测试,其对RhB的降解率仍保持在90%以上.

不同转角石墨烯/MoS_(2)异质结电子结构与光学性质的第一性原理研究

基于密度泛函理论的第一性原理计算方法,研究了不同扭转角下石墨烯/MoS_(2)异质结构的电子结构和光学特性。结果表明,转角后的石墨烯/MoS_(2)异质结构仍具备作为单层材料时的部分特征。在费米能级附近,石墨烯层保持了其特殊的线性色散能带结构,狄拉克锥上的直接带隙Eg受到层间旋转调制的影响。异质结构中的MoS_(2)层对层厚具有高度的敏感性,随着厚度的增加,其间接带隙持续增大。当转角为10.9°时,Eg的最大值为11.67 meV。差分电荷密度计算结果表明,随着旋转角度的改变,MoS_(2)层中Mo-S间的电子转移引起了Mo-S键长的变化,从而增大了S-S层间距。同时,通过与MoS_(2)结合形成异质结构,石墨烯获得了较高的载流子浓度,异质结界面间旋转使空穴掺杂载流子浓度提高至9.2×10^(12)cm^(-2),比未转角时提高约6倍。异质结构的光学性质计算结果表明:当转角为27.0°时,其吸收边发生红移,并向低能区移动了0.233 eV;当转角为10.9°时,其吸收边发生蓝移,并向高能区移动0.116 eV,同时,在可见光范围内,异质结构损失函数下降了0.007。研究结果可为设计新型具有转角特征石墨烯异质结构的光学纳米器件提供理论参考。

由质子化D-A型聚合物和MoS_(2)构建S型异质结实现高效光催化析氢

化石能源的过度消耗及其所引发的环境污染已经成为制约人类社会可持续发展的关键因素,因此开发绿色、可再生的能源已成为全球的迫切需求.氢能作为一种新型能源,具有能量密度高、清洁以及可持续等优点,备受研究者的关注.光催化分解水制氢技术能够将太阳能转化为可储存的清洁能源,被视为未来解决能源和环境问题的可行性方案.在过去几十年里,众多科学家致力于研发各种高效的析氢光催化剂,以推进光催化分解水制氢技术的实际应用.其中,S型异质结光催化剂因其快速的光生电荷转移效率和出色的氧化还原能力,被认为是提高光催化析氢性能的有效途径之一.本文以质子化、具有供体-受体(D-A)构型的PyDTDO-3共轭聚合物和二维层状MoS_(2)为原料,构建了一种S型异质结(PPMS),并将其用于光催化分解水制氢.红外光谱结果表明,质子化处理导致PyDTDO-3表面吸附了大量H^(+),使其Zeta电势降低,表面负电荷减少,更有利于MoS_(2)的吸附,进而形成具有紧密接触界面的PPMS S型异质结.在可见光照射下,PPMS-0.5%(即MoS_(2)占PyDTDO-3的质量百分数为0.5%)S型异质结的性能最佳,其光催化析氢效率达到75.4 mmol g^(–1)h^(–1),是纯PyDTDO-3的4.6倍.此外,在550 nm光激发下,PPMS-0.5%异质结的光催化析氢表观量子效率最高达到19.6%.光电流响应和电化学阻抗谱结果表明,PPMS异质结展现出了显著提升的光生电荷分离效率.通过密度泛函理论计算发现,PyDTDO-3和MoS_(2)具有不同的功函数,这导致费米能级间隙的产生,从而形成了内建电场.该内建电场有助于MoS_(2)上的电子自发转移到PyDTDO-3上,从而在PyDTDO-3与MoS_(2)的界面上产生了明显的差分电荷密度分布:PyDTDO-3表面带有负电荷,MoS_(2)表面则带有正电荷.在可见光激发下,得益于PyDTDO-3独特的D-A型结构,光生电子可以快速从供体(芘供体)的最高占据分子轨道传递到受体(DTDO受体)的最低未占据分子轨道(LUMO);随后,这些被激发的光生电子进入MoS_(2)的表面.利用飞秒瞬态吸收光谱研究动力学行为,结果表明,来自PyDTDO-3的LUMO电子转移加速了MoS_(2)价带的空穴消耗,这进一步证实了S型光生电荷分离机制.此外,与单组分PyDTDO-3和MoS_(2)相比,PPMS S型异质结具有较低的吉布斯自由能(ΔGH*,0.77 eV),表明它更有利于过渡态(H*)的形成以及分子氢在PPMS上的有效解吸.总之,PPMS S型异质结表现出促进的电荷定向迁移和增加的活性位点,共同增强了其光催化析氢性能.综上,本文首先对D-A构型的PyDTDO-3进行质子化处理,再与MoS_(2)复合,制备了具有紧密接触界面的S型PPMS异质结.该异质结结构显著促进了PyDTDO-3和MoS_(2)之间的电荷定向迁移;此外,通过引入MoS_(2)中丰富的S原子,增加了光催化析氢活性位点,从而大大提高了光催化析氢效率.本文为设计和开发新型高效的光催化析氢材料提供了新的思路和参考.

MoS_(2)-In与MoS_(2)-Au异质结界面构型对势垒影响研究

文章采用第一性原理计算方法对比研究单层二硫化钼(MoS 2)与In、Au形成的异质结的界面构型对界面势垒的影响。能带结构和束缚能计算表明,MoS_(2)-In和MoS_(2)-Au异质结是范德华接触;由于界面In原子d轨道和Au原子s轨道电子态空间分布各向异性和各向同性,界面势垒对构型表现出不同的依赖性;MoS_(2)-In和MoS_(2)-Au异质结的界面势垒明显偏离Schottky-Mott定则的预测值,电子密度差分结果分析证明,界面电荷转移形成的偶极层是势垒偏离的主要原因。研究结果表明,通过界面构型调控偶极层是调控MoS_(2)-In和MoS_(2)-Au范德华异质结界面势垒的一种新方法。

二维半导体异质结MoS_(2)/MoSe_(2)中一维量子阱形成机制的电子显微学研究

本文使用两步化学气相沉积法(chemical vapor deposition,CVD)成功合成了单层二维半导体MoS_(2)/MoSe_(2)面内异质结,通过扫描透射电子显微学(scanning transmission electron microscopy,STEM)对异质结中不同类型的量子阱进行了原子尺度结构和局域应力分析,探索了二维半导体材料中,不同结构特征处诱导形成一维量子阱结构的机理。主要包括:(1)晶格失配的二维半导体异质结界面处周期性位错阵列诱导形成的量子阱超晶格;(2)二维半导体晶格内非60°晶界所包含的周期性位错诱导形成周期可控的量子阱超晶格;(3)由连续4|8元环结构组成的60°晶界诱导形成的超长单一量子阱结构。

MoS_(2)/g-C_(3)N_(4)S型异质结的构建及光催化性能研究

制备高效稳定的光催化剂对于光催化技术的发展至关重要。本研究采用超声辅助沉积加低温煅烧的方法制备了2H相MoS_(2)/g-C_(3)N_(4)S型异质结光催化剂(MGCD),并综合考察了材料的相结构、微观形貌、光吸收性能、X射线光电子能谱、电化学交流阻抗和光电流等对光催化性能的影响。结果表明:经过超声辅助沉积-煅烧处理,MoS_(2)微米球发生破碎分散结合在g-C_(3)N_(4)纳米片层表面上并形成异质结。可见光下5%MGCD(添加5%MoS_(2))对罗丹明B(RhB)在20 min时的降解率达到了99%,且样品重复使用5次后对RhB的降解率仍能达到95.2%,表现出良好的光催化性能及稳定性。从内建电场形成的角度进一步分析表明,异质结中MoS_(2)与g-C_(3)N_(4)间耦合形成的内建电场引起的能带弯曲可以有效引导载流子的定向迁移,并促进光生载流子的分离,从而提高了光催化反应效率。异质结光催化剂的自由基捕获实验表明:O_(2)^(–)和·OH在催化降解RhB中是主要的活性物种,h^(+)的贡献次之。

La内嵌graphene/MoS_(2)层的储氢性能研究

运用密度泛函理论研究了La内嵌graphene/MoS_(2)层的储氢性能.由于La的内嵌graphene/MoS_(2)异质结的层间距被拉大.详细研究了氢气分子在La内嵌的graphene/MoS_(2)结构上的吸附行为.结果表明,一个La原子最多可以吸附六个氢气分子,采用GGA/PBE泛函计算得到氢气分子的平均吸附能为0.198 eV.合适的吸附能使得设计材料能够在温和条件下实现可逆存储.重要的是,La原子能够分散地内嵌在graphene/MoS_(2)异质结中,这将为氢气分子提供更多吸附位.研究表明理论上预测La内嵌graphene/MoS_(2)材料是一种潜在的储氢材料.

MoS_(2)/Bi_(2)Se_(3)异质结的制备及其光致发光性能研究

二硫化钼(MoS_(2))是一种典型的二维材料,因其具备高电子迁移率、可调的带隙和高光吸收度等优异性能被广泛应用于光电子领域.二维硒化铋(Bi_(2)Se_(3))拥有随层数变化的特殊表面态.单层MoS_(2)和多层及少层Bi_(2)Se_(3)薄膜构筑成异质结构时,其光致发光性质可能发生显著改变.该文利用气相沉积法成功制备了单层MoS_(2)单晶和5层及较厚的Bi_(2)Se_(3)薄膜,并通过转移法成功构筑了基于5层及较厚的Bi_(2)Se_(3)薄膜的MoS_(2)/Bi_(2)Se_(3)垂直异质结.在此基础上,结合拉曼、光致发光(PL)测试技术,对两种异质结中的激子发光、界面间相互作用和电荷转移进行了研究,发现基于5层Bi_(2)Se_(3)的MoS_(2)/Bi_(2)Se_(3)异质结具有PL显著增强现象,而基于较厚的Bi_(2)Se_(3)的MoS_(2)/Bi_(2)Se_(3)异质结的PL却明显减弱.研究结果表明二维Bi_(2)Se_(3)随层数可变的表面态对MoS_(2)的光学性能具有显著的调制效应.

MoS_(2)/In_(2)Se_(3)异质结电子结构与光电性质研究

二维材料异质结可以利用各组份二维材料的优异物理性质,实现按需设计制备新型的功能器件。通过构建二维半导体材料MoS_(2)与二维铁电材料In_(2)Se_(3)的异质结,研究了铁电极化对异质结的能带结构、电荷转移、压电系数及光电响应的影响。结果发现:当极化方向沿着从MoS_(2)指向In_(2)Se_(3)方向时,异质结能量更低、结构更稳定、电荷转移更多、能带带隙也更小;相比于面内应变对异质结带隙产生的微弱影响,利用极化方向的翻转可有效地调控异质结的带隙,实现从Ⅰ型能带对齐到Ⅱ型能带对齐;针对最稳定的异质结结构,发现压电系数e31相比于单层In_(2)Se_(3)提升了24倍。通过实验采用干法转移制备出MoS_(2)/In_(2)Se_(3)异质结,利用拉曼光谱与光致发光光谱对其光电特性进行表征,发现异质结区保留着各自组份材料的拉曼特征峰与激子峰信号,相比于单独的In_(2)Se_(3),异质结对In_(2)Se_(3)激子峰具有荧光增强效应。

Co_(3)O_(4)/MoS_(2)@TM异质结电极的制备及其析氧性能研究

电解水是一项有前景的大规模生产绿色氢能的技术。然而由于析氧反应(OER)的内在动力学缓慢,阻碍了这种能量转换技术的发展。这就需要高活性且稳定的电催化剂。因此本文采用简单的两步水热合成法在钛网上构筑了具有自支撑的异质结构Co_(3)O_(4)/MoS_(2)。所制备的Co_(3)O_(4)/MoS_(2)异质结催化剂在1 M KOH溶液中具有优异的OER催化性能,当电流密度达到10 mA·cm-2时,所需过电势为306 mV,相应的塔菲尔(Tafel)斜率为51 mV dec-1。催化剂表现出优异的OER催化活性源于异质结构以及Co_(3)O_(4)和MoS_(2)的协同作用。本工作为合理设计高效、低廉的复合型催化剂提供了有效的策略。

S-scheme ZnO/MoS_(2)异质结构筑与对盐酸四环素降解性能

抗生素药物使用范围广且用量大,导致大量抗生素废水进入水体或者残留在土壤环境中,对人类健康造成威胁,然而传统工艺对其去除效果并不理想.以ZnO为基底,通过掺杂MoS_(2),制备了S-scheme ZnO/MoS_(2)异质结复合材料,研究了该材料对抗生素废水的净化性能.通过调节复合材料中ZnO含量、光照条件、盐酸四环素浓度等,探讨了ZnO/MoS_(2)复合材料对不同浓度盐酸四环素(tetracycline hydrochloride,TC)废水的净化效果.结果表明:在光照条件下,催化剂复合比为1∶1的ZnO/MoS_(2)复合材料对60 mg·L^(-1)四环素废水的降解效率可达88%(pH=7,105 min);电子传递与污染物降解机理研究表明,电子由ZnO导带迁移至MoS_(2)价带,形成S-scheme异质结,从而有效提高了催化效率与污染物降解性能.

碳化MoS_(2)/掺硫g-C_(3)N_(4)异质结的合成及其在可见光下催化降解罗丹明B机理

为了进一步提高聚合物半导体类石墨相氮化碳(g-C_(3)N_(4))降解有机物的活性,通过简单的水热法复合得到碳化MoS_(2)/掺硫g-C_(3)N_(4)异质结(MoSC/S-CN),并在可见光下研究其罗丹明B(RhB)的降解性能。结果表明,相较于纯g-C_(3)N_(4),最优化的MoSC/S-CN样品对可见光的吸收范围得到明显拓宽,并且在100 min内对RhB的降解效率为92.5%,比纯g-C_(3)NQ性能提高68.83%。一系列的结构和光学性质表明,掺硫后再进一步与碳化MoS_(2)耦合可以协同作用于g-C_(3)N_(4),改善g-C_(3)N_(4)的能带结构,加速光生电子空穴对的分离,有效提高光催化活性。

In_(2)O_(3)修饰三维纳米花MoS_(x)构建S型异质结用于高效光催化产氢

形貌控制和异质结构建是提升光催化剂性能的有效策略。本文采用In_(2)O_(3)修饰三维纳米花MoS_(x)并构建S型异质结,为电子的传输提供了特殊的转移途径。通过合理调控In_(2)O_(3)的负载量,MoSx/In_(2)O_(3)的最佳产氢速率能够达到6704.2μmol·g^(-1)·h^(-1),是纯MoS_(x)的1.8倍。采用荧光光谱和电化学测试证实复合材料中内部电子和空穴对的分离效率得到了有效的提升,并利用紫外漫反射测试和羟基自由基实验推测了析氢机理。

GeS/MoS_(2)异质结电子结构及光学性能的第一性原理研究

以MoS_(2)、GeS为代表的二维层状材料在光学、电学等方面表现出优异的物理性能。如何将两者的优良性能结合,同时获得具有新的协同功能的复合材料对电子器件的发展和应用具有重要意义。本文采用密度泛函理论的第一性原理计算方法,对GeS/MoS_(2)异质结的电子结构及光学性质进行了系统研究,并探索了界面间距、应变和电场对异质结电子结构和光学性能的影响。研究结果表明,GeS/MoS_(2)异质结是Ⅱ型能带排列,该能带排列有利于光生电子-空穴对的分离。进一步研究发现,通过应变和电场等手段可以实现对GeS/MoS_(2)异质结能带排列及光吸收系数的有效调控。该研究结果表明GeS/MoS_(2)异质结在光催化、光电器件等领域具有潜在的应用,为设计与制备GeS/MoS_(2)相关的光电器件提供了理论指导。

二维MoS_(2)/WSe_(2)异质结的光电性能研究

近年来基于二维半导体过渡金属硫族化合物如MoS_(2)的光电晶体管被广泛研究。虽然基于单层MoS_(2)的光电探测器表现出较高的响应度,但是其较低的载流子迁移率也限制了响应时间,约在秒量级。二维半导体的相互堆垛可以形成具有低缺陷态且空间均匀的范德华异质结构,是提高二维光电探测器性能的有效途径。基于此本文通过机械剥离转移法构筑MoS_(2)/WSe_(2)垂直pn异质结,其较强的空间电荷区能有效地分离光生载流子,所以在自驱动状态下仍具有较好的光电探测能力,光响应度和探测率分别达到2.12×10^(3) A/W和2.33×10^(11) Jones,同时极大地缩短了响应时间,响应时间达到40 ms。这种二维异质结器件制备方法简易,性能优异,在光电子领域具有广阔的应用前景。

MoS_(2)/WS_(2)双层异质结的热输运性质

利用第一性原理和玻尔兹曼输运理论,研究了二硫化钼/二硫化钨双层异质结(MoS_(2)/WS_(2)-BH)的热输运性质.结果表明,在室温下单层二硫化钼、单层二硫化钨和二硫化钼/二硫化钨双层异质结的热导率分别为114,240和167 W·(m·K)^(-1),异质结热导率介于单层二硫化钼和单层二硫化钨热导率之间且略低于其平均热导率.通过对声子色散曲线、格林爱森参量、声子群速度和弛豫时间的分析发现,与单层二硫化钼及二硫化钨相比,二硫化钼/二硫化钨双层异质结的晶格热导率受层间弱范德华作用的影响.

电场对PtO_(2)/MoS_(2)范德瓦尔斯异质结电子结构调控

本文利用基于密度泛函理论的第一性原理计算方法研究了外电场对PtO_(2)/MoS_(2)范德瓦尔斯异质结电子结构的调控,发现当层间距d=2.83 Å时异质结结构最稳定,且表现为Ⅱ型间接带隙半导体,其带隙为0.68 eV.通过施加垂直平面方向电场可有效调控PtO_(2)/MoS_(2)异质结电子结构,当外电场为-1 V/Å时,发生半导体-金属相变.这些研究结果表明PtO_(2)/MoS_(2)异质结在新型二维材料光电纳米器件方面具有广泛应用前景。

基于密度泛函理论的B、P掺杂MoS_(2)/Gr异质结光电性能增强的调制机理

为了扩展能够提升光调制器性能的新型复合材料的相关理论,基于密度泛函理论,研究了B、P掺杂MoS_(2)/Gr异质结的光电性能的调制机理。结果表明:形成异质结后,异质结层间存在着由石墨烯层向MoS_(2)层表面的电子转移;掺杂原子后,异质结的石墨烯层和二硫化钼层之间转移的电子进行了重分配,主要发生了B原子向C原子与P原子向S原子,以及B原子与P原子间的电子转移,导致掺杂P原子附近电子向层间聚集的现象。费米能级附近,掺杂原子和石墨烯与二硫化钼之间发生轨道杂化,产生杂化能级,使得载流子跃迁的能隙变窄,导致材料与光在近红外甚至以下的低能区作用增强,且部分光学吸收峰向低能区方向移动。此外,通过改变掺杂原子浓度和配比可以一定程度上实现对异质结低能区光学性能的调控。

光生载流子FN隧穿的范德华垂直异质结光电探测特性

过渡金属硫族化合物及其范德华异质结在光电探测方面具有重要的应用前景。近年来,基于光电导效应、光诱导栅控效应、光伏效应、光-热电效应等机理的器件被提出并广泛研究。其中,基于光诱导栅控效应的过渡金属硫族化合物平面型光电器件因其与晶体管相近的器件结构、工艺兼容性以及较高的光电探测响应率而备受关注,然而往往存在响应速度慢、不施加栅压时暗电流大等缺点,制约了器件性能的进一步提升。因此,针对过渡金属硫族化合物光诱导栅控型光电器件,如何提高其响应速度、降低暗电流成为亟需解决的重要问题。该研究通过实验构建石墨烯/MoS_(2)/h-BN/石墨烯垂直异质结构,在传统石墨烯/MoS_(2)异质结中插入宽禁带h-BN势垒层以抑制器件暗电流,同时利用光照条件下光生载流子的FN隧穿效应提升器件的光电响应速度。该研究成功实现了皮安量级的暗电流以及相对较快的光电探测响应速度(响应时间约为0.3 s),相比于传统石墨烯/MoS_(2)异质结器件(响应时间约为20 s)有近两个数量级的提升,同时验证了基于FN隧穿效应的范德华垂直异质结构对于增强光电探测性能的积极作用。