张华教授， Small文章：一锅法制备Cu2−χSySe1−y-MoS2外延异质结构及其作为模板制备CdSySe1−y-MoS2- 大数跨境

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张华教授， Small文章：一锅法制备Cu2−χSySe1−y-MoS2外延异质结构及其作为模板制备CdSySe1−y-MoS2

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2021-03-17

导读：本文报道了Cu2−χSySe1−y-MoS2外延异质结的合成，以及将其作为模板转化为CdSySe1−y-MoS2外延异质结。

文章信息

一锅法制备Cu2−χSySe1−y-MoS2外延异质结构及其作为模板制备CdSySe1−y-MoS2

第一作者：陈君泽

通讯作者：张华*

单位：香港城市大学

研究背景

二维过渡金属硫族化合物，如MoS2、WS2等，由于其具有特殊的物理、化学性质而受到广泛关注。理论计算表MoS2边缘的氢原子吸附自由能与Pt的很接近，因此近年来MoS2作为一种光催化产氢的助催化剂被人们所广泛研究。

MoS2与其它半导体形成异质结构，如MoS2/CdS， MoS2/TiO2等，在光催化产氢中能有效提高光催化剂产氢的活性。在一个复合光催剂中，光催化产氢过程涉及到光生载流子的产生及其在不同组分间的传输。因此，构建具有较少界面缺陷的半导体外延异质结有利于载流子的传输。

如何设计以及合成基于MoS2的半导体外延异质结构仍然是该领域的一大挑战。此外，由于半导体相MoS2产氢的活性位点是其边缘的硫原子，表面大部分是惰性的，如何暴露出更多的边缘活性位点显得尤其重要。

文章简介

基于此，香港城市大学的张华教授，在国际知名期刊Small上发表题为“Preparation of CdSySe1−y-MoS2 Heterostructures via Cation Exchange of Pre-Epitaxially Synthesized Cu2−χSySe1−y-MoS2 for Photocatalytic Hydrogen Evolution”的研究文章。

作者报道了Cu2−χSySe1−y-MoS2外延异质结的合成，以及将其作为模板转化为CdSySe1−y-MoS2外延异质结。所制备的CdS-MoS2表现出优异的光催化产氢活性以及稳定性。

此研究对半导体异质结构在光催化制氢中的应用有着积极推动作用，并且为如何设计合成基于二维过渡金属硫族化合物的外延异质结构带来新的启发。

本文要点

要点一：一锅法液相合成Cu2−χSySe1−y-MoS2

文章以CuCl2作为铜源，十二硫醇以及二苯基二硒醚分别作硫源和硒源，在220°C 下反应30分钟，后用蠕动泵缓慢注入钼源，实现了一锅法合成Cu2−χSySe1−y-MoS2外延异质结。

Cu2−χSySe1−y晶体中S/Se的比例可以通过调整十二硫醇以及二苯基二硒醚的比例来进行系统性调整，并且MoS2的生长密度可以通过控制注入钼源的多少来调节。

在所制备的Cu2−χSySe1−y-MoS2中，MoS2纳米片以边缘外延的方式垂直于Cu2−χSySe1−y的<002>方向生长在其表面。

图1. Cu2−χSySe1−y-MoS2外延异质结构的表征。

要点二：以Cu2−χSySe1−y-MoS2为模板,通过阳离子交换的方法制备CdSySe1−y-MoS2

所制备的Cu2−χSySe1−y-MoS2可以作为模板，通过阳离子交换的方法转化为CdSySe1−y-MoS2。且得到的CdSySe1−y-MoS2可以保持原有的形貌不变，MoS2纳米片仍然以边缘外延的方式存在于CdSySe1−y的表面。

值得一提的是，这种异质结构不能通过以CdS作为晶种来直接合成。MoS2垂直生长于CdSySe1−y晶体表面有利于暴露出更多的MoS2的产氢活性位点，有利于提高CdSySe1−y-MoS2的光催化产氢性能。

而且通过边缘外延生长的方式，MoS2与CdSySe1−y间的界面缺陷较少，有利于光生载流子的传输，进一步提高其产氢性能。

图2. CdSySe1−y-MoS2外延异质结构的表征。

要点三：光催化产氢性能研究

CdSySe1−y-MoS2外延异质结构在光催化产氢中显示出优异的催化性能。其中负载5.6 wt% MoS2的CdS-MoS2异质结产氢速率达34.05 mmol·h-1·g-1，是纯CdS的24倍（1.42 mmol·h-1·g-1）。

文章链接

Preparation of CdSySe1−y‐MoS2 Heterostructures via Cation Exchange of Pre‐Epitaxially Synthesized Cu2−χSySe1−y‐MoS2 for Photocatalytic Hydrogen Evolution

https://onlinelibrary.wiley.com/doi/epdf/10.1002/smll.202006135

通讯作者介绍

张华，香港城市大学化学系胡晓明讲座教授（纳米材料）。

1992和1995年分别获南京大学学士和硕士学位，1998年获北京大学博士学位(导师：刘忠范院士)。1999和2001年分别赴比利时鲁汶大学Prof. Frans C. De Schryver课题组和美国西北大学Prof. Chad A. Mirkin课题组从事博士后研究。2003和2015年分别在美国NanoInk 公司和新加坡生物工程与纳米技术研究院工作。2006年加入新加坡南洋理工大学材料科学与工程学院任助理教授，分别于2011、2013年晋升为副教授、教授。2019年，全职加盟香港城市大学化学系。

张华教授的研究领域涵盖多个前沿交叉学科。目前的研究聚焦在纳米材料相工程（PEN）、精细多级结构的可控外延生长等。具体工作主要包括以下几个方面：超薄二维纳米材料（如金属纳米片、金属硫化物、石墨烯、金属有机骨架、共价有机框架等）、金属和半导体纳米材料的新型晶相、新型无定形纳米材料，及其多功能纳米复合材料的制备，以及在催化、清洁能源、光电器件、纳米与生物传感、环境水污染处理等方面的应用研究。迄今为止，张华教授已申请了74项专利（包括授权1项中国专利、1项新加坡专利和8项美国专利），并发表了520余篇学术论文。截止于2021年3月，基于Web of Science和谷歌学术的统计数据，张华教授的文章分别被引85,000余次（H因子为143）和99,600余次（H因子为153）。

张华教授于2020年当选欧洲科学院外籍院士 (Foreign Fellow of European Academy of Sciences)，2015年当选亚太材料学院院士 (Academician of the Asia Pacific Academy of Materials)，2014年当选英国皇家化学会会士 (Fellow of the Royal Society of Chemistry)。张华教授所获得学术荣誉和奖项包括：入选“全球最有影响力科学思想名录（the World's Most Influential Scientific Minds）”和“高被引科学家名单”(2014年“材料科学”，2015-2020“化学”和“材料科学”；汤森路透/科睿唯安), 2014和2015年分别入选全球17和19位热门科学家榜单 (Hottest Researchers of Today，汤森路透)，荣获澳大利亚伍龙贡大学校长国际学者奖 (Vice-Chancellor's International Scholar Award，2016)，美国化学学会ACS Nano Lectureship奖 (2015), 世界文化理事会(WCC)特别表彰奖 (Special Recognition Award，2013), 希腊ONASSIA Foundation Lectureship (2013), SMALL青年创新奖 (Wiley-VCH, 2012) ，南洋杰出研究奖 (2011)，等。