论文题目：过渡金属硫化物的结构调制及其电催化性能磁增强
摘要：过渡金属硫化物因其具有丰富的原子结构和独特的物理化学性质,在电子器件、电催化、能源存储等领域被广泛研究和应用。在电催化领域,过渡金属硫化物电催化性能的提升已经进入到一个瓶颈阶段,进一步提高其电催化性能已成为当前电催化领域最具挑战性的任务之一。本论文通过化学气相沉积法制备了硫化钼和硫化铬等材料,利用结构工程成功地对其磁学特性进行调制以及对其电催化性能实现提升。具体研究内容如下:（1）将磁场引入电催化反应可以有效地提高电极表面的传质改善反应动力学,在设计电化学过程中提供额外的自由度,现已经成为电化学领域的一个新方向。磁场辅助电催化将为突破电催化反应性能提升的瓶颈带来可能。而MoS2中没有本征的长程磁有序,很难在外加磁场下获得响应。本章节首先采用分步式化学气相沉积法对MoS2结构进行调控,成功合成了铁磁碗状的MoS2纳米片。理论计算表明碗状MoS2纳米片的磁性来源于Mo边界的未配对自旋。随后通过理论计算和实验,证明了在外加垂直静磁场作用下,铁磁碗状MoS2纳米片中的电子能够更高效地从玻碳电极转移到活性位点参与析氢反应,从而提升了析氢性能。这项工作提出了一种通过磁场增强析氢性能的新策略,有助于推动磁场辅助电催化应用的发展。（2）随后本章节也将目光聚焦于交变磁场辅助电催化反应。而涡流是交变磁场中产生的一种磁场效应,将其应用在电催化反应中将实现局部连续加热而不影响催化剂或电解槽的使用寿命,这可能为电催化反应带来了新的活力。本文继续采用化学气相沉积法的结构工程,通过调控垂直堆垛生长方式合成了具有丰富边缘活性位点的阶梯金字塔型（层层堆叠生长）和螺旋金字塔型（螺旋位错驱动生长）MoS2纳米片。与阶梯金字塔型MoS2不同,消除了层间势垒的螺旋金字塔型MoS2可以提高电子传输效率。随后的电催化测量和仿真模拟表明,在交变磁场作用下,螺旋金字塔型MoS2的析氢性能相比于阶梯金字塔型MoS2有很大的提升。这个显著的提升来源于在交变磁场作用下螺旋金字塔型MoS2纳米片内部形成了微涡流,从而可以很好地利用交变磁场进行局部的加热,进而大大地提升了样品的析氢反应活性。这为探索交变磁场以及涡流在催化领域的更多潜在应用提供了新思路。（3）本文除了利用结构工程在非磁的过渡金属硫化物中诱导出磁性,还致力于调制二维本征磁性过渡金属硫化物的磁性,以丰富二维磁性材料体系和满足实际应用中的不同需求。由于二维反铁磁材料在自旋电子器件中有巨大的潜在应用,因此探索新的空气中稳定的二维反铁磁材料引起了人们的极大关注。而除了寻找新的本征反铁磁材料外,在现有的二维材料中通过结构工程引入反铁磁有序也是一种很有前景的方法。本文在大规模合成空气中稳定的二维铁磁性Cr2S3纳米片的基础上,成功地利用等离子体增强的化学气相沉积系统实现了原位氮掺杂。随后的理论计算和磁性测量证明了通过氮掺杂诱导的新相在二维Cr2S3中实现了反铁磁有序。这为在原子级薄的二维磁体中调制反铁磁提供了一种新方法。（4）本章节接下来还对Cr2S3纳米片的制备工艺进行改进并成功合成出了稳定的具有本征磁性的1T相CrS2纳米片。通过结构工程将二维本征磁性的CrS2和零维的单原子（SAs）进行复合,既能拥有单原子催化剂优异的催化性能,同时也能利用二维材料稳定性好的优点以防止单原子的团聚和脱落避免单原子催化剂性能的衰减,这将是进一步提高电催化性能的新策略。因此,本文利用激光分子束外延技术直接将Mo原子锚定在1T-CrS2纳米片的金属性基面上,形成了原子级的尖端结构。这种具有单原子尖端结构的Mo SAs@1T-CrS2可以在Mo原子周围产生增强的电场,以及具有接近于零的氢吸附自由能。随后的电化学测试表明Mo SAs@1T-CrS2具有优异的电催化析氢反应活性,以及良好的性能稳定性和材料结构稳定性。本文成功地将二维本征磁性的1T-CrS2和单原子相结合,总结出了一套普适且可靠的合成方法和系统的表征手段,这为磁场辅助电催化在单原子催化剂领域的应用奠定了基础。
关键词：过渡金属硫化物;结构工程;磁性调制;电催化析氢;磁场辅助电催化;复合单原子
学科专业：材料科学与工程
致谢
摘要
Abstract
1 绪论
1.1 引言
1.2 过渡金属硫族化合物的结构与物性
1.3 过渡金属硫族化合物的磁性调控
1.3.1 插层
1.3.2 化学掺杂
1.3.3 缺陷工程
1.3.4 异质结构构建
1.4 过渡金属硫族化合物在电催化分解水中的应用
1.4.1 氢能概述
1.4.2 电催化析氢反应的基本原理
1.4.3 评价电催化剂活性的性能参数
1.4.4 过渡金属硫族化合物在电催化分解水中的研究现状
1.4.5 过渡金属硫族化合物与单原子催化剂
1.5 磁场调控电催化反应的研究现状
1.5.1 静磁场调制电催化反应
1.5.2 交变磁场调制电催化反应
1.6 论文的研究意义
2 外加磁场增强铁磁性二硫化钼的电催化析氢性能
2.1 引言
2.2 实验与方法
2.3 结果与讨论
2.4 本章小节
3 交变磁场下在三维螺旋二硫化钼中实现涡流促进析氢反应
3.1 引言
3.2 实验与方法
3.3 结果与讨论
3.4 本章小节
4 三硫化二铬纳米片中氮掺杂诱导出反铁磁相
4.1 引言
4.2 实验与方法
4.3 结果与讨论
4.4 本章小节
5 二硫化铬纳米片复合单原子提升电催化析氢性能
5.1 引言
5.2 实验与方法
5.3 结果与讨论
5.4 本章小节
6 结论与展望
6.1 结论
6.2 创新点
6.3 展望
参考文献
作者简历及在学研究成果