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原位研究具有垂直排列層和高溫穩定性的二維WS2的受控生長

發布日期: 2020-09-28
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    層狀過渡金屬二硫化物(LTMDs)由于其出色的物理和化學特性使其在光電、催化和復合材料等領域具有潛在的應用價值,引起人們的廣泛關注。

    LTMDs晶體上通常存在兩種類型的表面位點:在基面上的階地位點和在側表面上的邊緣位點。由于各向異性鍵合和使表面能小化的趨勢,LTMDs通常表現出水平取向的形態,以小的懸空鍵將基面暴露為終止表面。近,有研究已經開發出新的一類LTMDs,二維(2D)分子層垂直組裝以優選暴露邊緣位點而不是階地位點。由于邊緣位點上暴露的懸空鍵的化學反應性增強,垂直排列的LTMDs在許多重要的催化反應(如加氫脫硫和析氫反應(HER))中顯示出巨大的潛力,這些材料可能是HER等反應中貴金屬催化劑(如Pt)的替代物。 

    為了獲得其優異的性能,控制其生長行為并了解其生長機理至關重要。之前的研究更多致力于通過快速硫化Mo或W膜來制備垂直定向的LTMDs。但是,很少有報道通過前驅體分解來控制垂直排列的LTMDs的生長。此外,也很少有研究集中在垂直排列的LTMDs的生長機理和高溫穩定性上。

    近日,來自華中科技大學的高義華團隊張智課題組在Nano Energy上發表了題為“In situ TEM observation of controlled growth of two-dimensional WS2 with vertically aligned layers and high-temperature stability”的文章。該團隊利用透射電子顯微鏡與DENSsolutions原位雙傾加熱/加電樣品系統結合,通過、穩定控制體系溫度,在TEM中對固體前驅體K2WS4進行原位加熱,觀察到了垂直排列的WS2層的后續結晶行為和生長動力學,發現垂直排列的WS2層的生長采用混合生長模式,且垂直排列的WS2層在900°C的高溫下,加熱3小時仍顯示出很高的穩定性。另外,根據實驗結果和理論計算表明,K元素在垂直排列的WS2的生長和進化中起著至關重要的作用。

    作者整個實驗過程均在DENSsolutions原位雙傾加熱/加電樣品系統內完成,通過程序升溫研究生長過程,并在高達900℃下恒溫3小時研究生成物的高溫穩定性。而穩定的加熱控制,極低的漂移率保證了高分辨圖像的獲取。

    該項研究為垂直排列的LTMDs材料的生長機理提供了基本的依據,這有助于對具有優化結構的材料進行定制設計和制造,以實現其優異的性能。

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