三元层状Cu2MoS4纳米结构的设计合成与性能探索取得重要进展

三元过渡金属硫族化合物（Transition Metal Chalcogenides, TMCs）是由两种过渡金属元素和硫族元素结合而形成的层状化合物，因其具有良好的光、电、催化等性能，一直备受人们的关注。近期，中国科学技术大学国家同步辐射实验室宋礼教授课题组在三元层状Cu₂MoS₄多级纳米结构的理性设计、可控合成、同步辐射精细表征和光电催化构效关系等方面取得了一系列研究成果。

　　　  图1：空心花状Cu₂MoS₄的设计合成路线及电镜表征

空心多级结构由于具有较高的比表面积、高活性位点暴露而被广泛的应用于光电催化领域。宋礼课题组以低廉的Cu₂O为模板，利用Kirkendall效应，成功的制备出空心花状Cu₂MoS₄材料。研究结果发现，通过改变模板的形貌，可以得到不同形貌的空心花状材料，如球状，立方体，八面体等。随后，他们与材料与化学学院的陈艳霞教授课题组合作，并结合同步辐射吸收谱手段，成功地解释了该空心结构的优异HER(电催化产氢)性能的来源。相关工作发表于Phys. Chem. Chem. Phys. 2017, 19, 557-561，第一作者为博士生张科。

图2：Cu₂MoS₄/RGO复合体系的光电催化图

随后，该课题组基于复合材料设计理念，成功地实现了空心Cu₂MoS₄球与RGO(还原氧化石墨烯)二维复合异质结构体系。相比较于单一的空心球结构，石墨烯的引入增加了复合结构对可见光的吸收，同时也提升了电子-空穴对分离效率。通过与安徽大学物理学院李广教授课题组合作，进一步发现了该复合结构在光电流强度和光降解有机污染物效率方面的优异性能，相关工作发表于J. Phys. Chem. C 2016, 120, 13120-13125，第一作者为博士生张科和硕士生林运祥。

　　　  图3：I-Cu₂MoS₄纳米片的STEM表征及spin charge density计算

在以上工作的基础上，该课题近期在I-Cu₂MoS₄纳米片中发现了奇特的室温铁磁性。实验结果显示随着温度的不断降低，铁磁性不断增强。通过与微尺度国家实验室的武晓君教授合作，结合原子分辨STEM表征和第一性原理计算，成功揭示其铁磁性的来源。由于二维纳米片状Cu₂MoS₄的超薄结构，使其边缘暴露了许多Mo原子，从而带来了室温铁磁性的特性。该项工作表明Cu₂MoS₄材料在电子自旋器件领域的潜在应用。相关工作发表于Phys. Chem. Chem. Phys.， 2017，doi:10.1039/c6cp07270d，第一作者为博士生张科及留学博士生Rashid。

以上研究工作得到了科技部青年973计划、国家自然科学基金、合肥大科学中心高端用户、校重要方向培育基金等项目的资助。