层数相关的β-In₂Se₃/MoS₂垂直异质结边缘重建促进析氢反应

当二维层状材料的厚度降低到单层极限时，因其突出和迷人的特性而引起越来越多的关注。通过机械剥离、液相剥离和化学气相沉积(CVD)等多种策略可有效地控制二维材料的层数。此外，二维层状材料在带隙、光致发光、电学和磁性等方面表现神奇的层数相关性质，并通过改变二维材料的层数来有效地调节相应的性能。当不同的二维材料在弱vdW力作用下叠加在一起时，叠加层与基体和/或相邻异质层的相互作用会影响其性能。然而，叠加层对二维垂直异质结性能的影响却很少涉及。目前，二维垂直异质结存在晶格失配、层间滑移、层间作用力不同和迥异的叠加序列等情况，难以厘清二维垂直异质结特定结构与性能之间的关系。因此，迫切需要通过改变叠加层数来研究二维垂直异质结的性能差异和规律。特别是，相邻异质层和层数对vdW异质结特异性性能的影响仍不明确。CVD是一种有效的手段，可通过调节生长因子来有效控制二维垂直异质结的叠加层数，并探索层相关性质。更重要的是，对不同层数的二维层状材料进行特定层数的叠加是设计特定应用材料的关键，这已成为二维材料领域的研究热点。

图1. In₂Se₃/MoS₂异质结的合成和基本表征

研究团队采用CVD将半金属β-In₂Se₃逐层沉积在单层MoS₂上，形成垂直的β-In₂Se₃/MoS₂异质结。缺陷介导的成核机制诱导了β-In₂Se₃纳米片在单层MoS₂上生长，通过延长生长时间，精确地调节β-In₂Se₃的堆积层数从1 L到13 L。通过改变β-In₂Se₃的层数，β-In₂Se₃/MoS₂异质结显示了可调谐的Ⅱ型能带排列，优化了内部电子转移。同时，叠加在单层MoS₂上的β-In₂Se₃边缘原子结构出现较大的晶格失配重构(~29%)，β-In₂Se₃的存在进一步提高了β-In₂Se₃/MoS₂异质结的电导率。基于β-In₂Se₃/MoS₂异质结具有丰富的层依赖边缘活性位点、边缘重构、亲水性和高电导率，β-In₂Se₃/MoS₂异质结的边缘表现出优异的电催化析氢性能。在单层MoS₂堆叠13 L β-In₂Se₃的边缘，起始电位较低，Tafel斜率较小。因此，二维垂直异质结中优异的导电层与边缘重构对电子能级的优化和催化性能的提高起着决定性的作用。

图2 In₂Se₃/MoS₂异质结的电催化性能测试

该工作第一作者是邵功磊博士，湖南大学刘松教授和中心周震教授为通讯作者，得到了国家自然科学基金的资助。

原文链接: https://doi.org/10.1007/s12274-022-4716-5

第一作者简介

邵功磊研究员：2021年博士毕业于湖南大学，导师为刘松教授。2021年9月以直聘研究员身份入职郑州大学化工学院。主要研究方向为二维纳米材料的可控制备和性能研究，涉及新型二维材料的结构调控、相位工程以及形貌工程等方面。研究和发展了二维纳米材料新的制备方法，探索了二维纳米材料以及合金的生长机制。先后以第一作者在Nat. Commun., Adv. Funct. Mater., ACS Nano, Adv. Sci., Chem. Mater., Sci. China Mater.和Sci. China Chem.等国际期刊上发表论文12篇。入职郑州大学化工学院以来，在二维纳米材料的可控制备、结构调控和电催化性能研究等领域先后取得了多项进展，并在Nat. Commun.、Nano Res.和Sci. China Mater.上发表了最新研究成果。