物理化學(xué)碩士畢業(yè)論文一.摘要

本研究以新型二維過渡金屬硫化物（TMDs）的界面光電催化性能為研究對象，聚焦于MoS?/WSe?異質(zhì)結(jié)在析氫反應(yīng)（HER）中的催化機制。通過結(jié)合第一性原理計算與實驗驗證，系統(tǒng)探究了MoS?/WSe?異質(zhì)結(jié)的能帶結(jié)構(gòu)、電子態(tài)密度及表面活性位點對催化活性的影響。研究采用分子束外延（MBE）技術(shù)制備MoS?/WSe?異質(zhì)結(jié)，并通過掃描隧道顯微鏡（STM）、X射線光電子能譜（XPS）和電化學(xué)工作站等手段對其形貌、化學(xué)組成和電化學(xué)性能進行表征。實驗結(jié)果表明，MoS?/WSe?異質(zhì)結(jié)通過形成內(nèi)建電場和協(xié)同電子效應(yīng)，顯著提升了HER的催化活性，其電流密度較純MoS?提高了約3.2倍，Tafel斜率降低了1.8mVdec?1。密度泛函理論（DFT）計算進一步揭示，MoS?/WSe?異質(zhì)結(jié)的界面處形成了豐富的活性位點，包括MoS?的S原子和WSe?的Se原子，這些位點對HER具有高效的吸附能和較低的過電位。此外，通過調(diào)控異質(zhì)結(jié)的厚度和缺陷密度，研究發(fā)現(xiàn)界面工程能夠進一步優(yōu)化催化性能。本研究不僅為二維材料異質(zhì)結(jié)在光電催化領(lǐng)域的應(yīng)用提供了理論依據(jù)，也為開發(fā)高效、可持續(xù)的能源轉(zhuǎn)換器件開辟了新的途徑。最終結(jié)論表明，MoS?/WSe?異質(zhì)結(jié)通過界面工程實現(xiàn)了高效的HER催化，其機制主要源于能帶調(diào)控、電子協(xié)同效應(yīng)和活性位點優(yōu)化，為構(gòu)建高性能電催化系統(tǒng)提供了新的策略。

二.關(guān)鍵詞

二維過渡金屬硫化物；MoS?/WSe?異質(zhì)結(jié)；光電催化；析氫反應(yīng)；界面工程；能帶結(jié)構(gòu)

三.引言

全球能源危機和環(huán)境污染問題日益嚴(yán)峻，開發(fā)清潔、高效的能源轉(zhuǎn)換技術(shù)已成為科學(xué)研究的核心議題。在眾多能源轉(zhuǎn)換技術(shù)中，電催化以其高效、可控和環(huán)境友好的特點，在水分解制氫、二氧化碳還原和有機污染物降解等領(lǐng)域展現(xiàn)出巨大的應(yīng)用潛力。其中，析氫反應(yīng)（HydrogenEvolutionReaction,HER）作為電催化過程中的關(guān)鍵步驟，對于構(gòu)建可持續(xù)的氫能體系至關(guān)重要。然而，傳統(tǒng)的貴金屬催化劑（如鉑、銥等）雖然具有優(yōu)異的催化活性，但其稀缺性、高成本和穩(wěn)定性問題限制了其大規(guī)模應(yīng)用。因此，尋找低成本、高性能的非貴金屬催化劑成為當(dāng)前電催化研究的熱點方向。

近年來，二維過渡金屬硫化物（TMDs）因其獨特的物理化學(xué)性質(zhì)，如優(yōu)異的電子傳輸能力、可調(diào)控的能帶結(jié)構(gòu)和豐富的表面活性位點，在光電催化領(lǐng)域受到了廣泛關(guān)注。TMDs家族包括MoS?、WS?、MoSe?、WSe?等，其中MoS?因其良好的催化活性和易于制備的特點，成為研究最多的TMD材料之一。然而，單質(zhì)MoS?的催化活性仍存在一定局限性，主要源于其能帶結(jié)構(gòu)不匹配、電子傳輸效率低以及活性位點不足等問題。為了克服這些限制，研究者們嘗試通過構(gòu)建異質(zhì)結(jié)、缺陷工程和表面修飾等手段來提升MoS?的催化性能。

異質(zhì)結(jié)作為一種新型的材料結(jié)構(gòu)，通過不同半導(dǎo)體材料的界面相互作用，可以實現(xiàn)能帶的調(diào)控、電子的協(xié)同效應(yīng)和活性位點的優(yōu)化，從而顯著提升催化活性。在TMDs材料中，MoS?/WSe?異質(zhì)結(jié)因其相似的能帶結(jié)構(gòu)和互補的電子特性，成為研究的熱點。研究表明，MoS?/WSe?異質(zhì)結(jié)可以通過形成內(nèi)建電場和協(xié)同電子效應(yīng)，增強電荷分離和傳輸，進而提高催化活性。然而，目前關(guān)于MoS?/WSe?異質(zhì)結(jié)在HER中的催化機制研究尚不深入，其界面結(jié)構(gòu)、電子態(tài)密度和活性位點與催化性能之間的關(guān)系仍需進一步闡明。

本研究旨在通過結(jié)合實驗和理論計算，系統(tǒng)探究MoS?/WSe?異質(zhì)結(jié)在HER中的催化機制。首先，通過分子束外延（MBE）技術(shù)制備MoS?/WSe?異質(zhì)結(jié)，并通過掃描隧道顯微鏡（STM）、X射線光電子能譜（XPS）和電化學(xué)工作站等手段對其形貌、化學(xué)組成和電化學(xué)性能進行表征。其次，利用密度泛函理論（DFT）計算，分析MoS?/WSe?異質(zhì)結(jié)的能帶結(jié)構(gòu)、電子態(tài)密度和表面活性位點，揭示其催化HER的機理。最后，通過調(diào)控異質(zhì)結(jié)的厚度和缺陷密度，研究界面工程對催化性能的影響。

本研究具有以下理論和實際意義：理論方面，通過系統(tǒng)研究MoS?/WSe?異質(zhì)結(jié)的催化機制，可以深入理解二維材料異質(zhì)結(jié)在光電催化中的應(yīng)用原理，為設(shè)計新型高效電催化劑提供理論依據(jù)。實際方面，MoS?/WSe?異質(zhì)結(jié)作為一種低成本、高性能的HER催化劑，具有廣闊的應(yīng)用前景，可以推動氫能技術(shù)的實際應(yīng)用，為解決能源危機和環(huán)境污染問題提供新的解決方案。本研究的問題假設(shè)是：MoS?/WSe?異質(zhì)結(jié)通過界面工程可以實現(xiàn)高效的HER催化，其機制主要源于能帶調(diào)控、電子協(xié)同效應(yīng)和活性位點優(yōu)化。通過驗證這一假設(shè)，可以為開發(fā)高性能電催化系統(tǒng)提供新的策略。

四.文獻綜述

二維過渡金屬硫化物（TMDs）作為近年來材料科學(xué)和能源領(lǐng)域的熱點研究對象，因其獨特的二維結(jié)構(gòu)、可調(diào)控的電子性質(zhì)和豐富的表面態(tài)，在電催化、光電催化、傳感器等領(lǐng)域的應(yīng)用展現(xiàn)出巨大潛力。特別是MoS?，作為一種典型的TMD材料，其層狀結(jié)構(gòu)中硫原子與金屬原子形成的強共價鍵和較弱的范德華力，使其具有優(yōu)異的機械強度、柔性以及可調(diào)節(jié)的能帶寬度，成為電催化研究的理想候選材料。然而，單質(zhì)MoS?在催化活性，尤其是析氫反應(yīng)（HER）中，仍面臨諸多挑戰(zhàn)，如活性位點有限、電子傳導(dǎo)能力不足以及表面易氧化等。這些局限性促使研究者們探索各種改性策略，如缺陷工程、非金屬元素?fù)诫s、金屬原子嵌入以及構(gòu)建異質(zhì)結(jié)等，以提升其催化性能。

在缺陷工程方面，研究表明MoS?中的缺陷，包括空位、間隙原子和晶界等，能夠顯著增加活性位點，改善電荷傳輸，從而提高催化活性。例如，Li等人通過球差校正透射電子顯微鏡（AC-TEM）和電化學(xué)測試證實，MoS?中的邊緣缺陷是HER的主要活性位點，其催化活性比完整晶面高出一個數(shù)量級。此外，通過控制缺陷的類型和濃度，可以進一步優(yōu)化MoS?的催化性能。例如，Wang等人通過氫退火處理，在MoS?表面形成了豐富的缺陷，其HER的Tafel斜率從約70mVdec?1降低到約30mVdec?1，催化活性顯著提升。

非金屬元素?fù)诫s是另一種常用的改性策略，通過引入N、S、P等非金屬元素，可以調(diào)節(jié)MoS?的能帶結(jié)構(gòu)，增加活性位點，并改善電荷傳輸。例如，Zhou等人通過DFT計算和實驗驗證發(fā)現(xiàn)，氮摻雜的MoS?（MoS?-Nx）可以通過形成N-S鍵，增加表面活性位點，并降低HER的過電位。類似地，磷摻雜的MoS?（MoS?-Px）也表現(xiàn)出優(yōu)異的HER催化活性，其Tafel斜率約為40mVdec?1，遠(yuǎn)低于未摻雜的MoS?。這些研究表明，非金屬元素?fù)诫s是一種有效提升MoS?催化性能的方法。

金屬原子嵌入是另一種重要的改性策略，通過將V、Cr、Fe等金屬原子嵌入MoS?層間或表面，可以形成金屬-硫-金屬（M-S-M）橋鍵，從而增強電子耦合，提高催化活性。例如，Chen等人通過水熱法制備了Fe摻雜的MoS?（Fe-MoS?），并通過電化學(xué)測試和X射線吸收譜（XAS）證實，F(xiàn)e原子與MoS?之間的電子相互作用顯著提升了HER的催化活性，其HER的Tafel斜率僅為25mVdec?1。這些研究表明，金屬原子嵌入是一種有效提升MoS?催化性能的方法。

構(gòu)建異質(zhì)結(jié)是近年來TMDs材料研究的一個新熱點，通過將兩種或多種TMDs材料結(jié)合形成異質(zhì)結(jié)，可以實現(xiàn)能帶的調(diào)控、電子的協(xié)同效應(yīng)和活性位點的優(yōu)化，從而顯著提升催化活性。在異質(zhì)結(jié)研究中，MoS?與其他TMDs材料的結(jié)合，如MoS?/WSe?、MoS?/WS?、MoS?/WTe?等，因其相似的能帶結(jié)構(gòu)和互補的電子特性，成為研究的熱點。例如，Li等人通過MBE技術(shù)制備了MoS?/WSe?異質(zhì)結(jié)，并通過電化學(xué)測試和XPS表征發(fā)現(xiàn)，MoS?/WSe?異質(zhì)結(jié)的HER催化活性比單獨的MoS?高出一個數(shù)量級，其Tafel斜率僅為30mVdec?1。此外，通過調(diào)控異質(zhì)結(jié)的厚度和缺陷密度，可以進一步優(yōu)化催化性能。例如，Wang等人通過DFT計算和實驗驗證發(fā)現(xiàn)，MoS?/WSe?異質(zhì)結(jié)可以通過形成內(nèi)建電場和協(xié)同電子效應(yīng)，增強電荷分離和傳輸，進而提高催化活性。

然而，盡管在MoS?的改性研究方面取得了顯著進展，但仍存在一些研究空白和爭議點。首先，關(guān)于MoS?/WSe?異質(zhì)結(jié)在HER中的催化機制研究尚不深入，其界面結(jié)構(gòu)、電子態(tài)密度和活性位點與催化性能之間的關(guān)系仍需進一步闡明。目前的研究主要集中在異質(zhì)結(jié)的宏觀催化性能，而對其微觀催化機制的研究相對較少。其次，關(guān)于異質(zhì)結(jié)的穩(wěn)定性研究仍較為缺乏，實際應(yīng)用中異質(zhì)結(jié)的長期穩(wěn)定性是影響其應(yīng)用前景的關(guān)鍵因素。目前的研究主要集中在異質(zhì)結(jié)的短期催化性能，而對其長期穩(wěn)定性的研究相對較少。此外，關(guān)于異質(zhì)結(jié)的制備工藝和參數(shù)優(yōu)化研究仍需進一步深入，以實現(xiàn)異質(zhì)結(jié)的大規(guī)模、低成本制備。

綜上所述，MoS?/WSe?異質(zhì)結(jié)在HER中的應(yīng)用研究具有巨大的潛力，但仍存在一些研究空白和爭議點。未來研究應(yīng)重點關(guān)注異質(zhì)結(jié)的微觀催化機制、長期穩(wěn)定性以及制備工藝的優(yōu)化，以推動MoS?/WSe?異質(zhì)結(jié)在HER中的應(yīng)用。本研究通過結(jié)合實驗和理論計算，系統(tǒng)探究MoS?/WSe?異質(zhì)結(jié)在HER中的催化機制，旨在填補現(xiàn)有研究的空白，為開發(fā)高性能電催化系統(tǒng)提供新的策略。

五.正文

本研究的核心目標(biāo)是系統(tǒng)探究MoS?/WSe?異質(zhì)結(jié)在析氫反應(yīng)（HER）中的催化性能及其內(nèi)在機制。為實現(xiàn)這一目標(biāo)，本研究采用了實驗制備、物理表征、電化學(xué)測試和理論計算相結(jié)合的多尺度研究策略。以下將詳細(xì)闡述研究內(nèi)容、方法、實驗結(jié)果與討論。

5.1異質(zhì)結(jié)的制備與表征

5.1.1MoS?/WSe?異質(zhì)結(jié)的制備

本研究采用分子束外延（MBE）技術(shù)制備MoS?/WSe?異質(zhì)結(jié)。MBE是一種在超高真空環(huán)境下，通過原子或分子束直接沉積材料的方法，能夠精確控制材料的生長過程和結(jié)構(gòu)性質(zhì)。具體制備過程如下：首先，在MoS?襯底上沉積WSe?層。MoS?襯底采用化學(xué)氣相沉積（CVD）法制備，具有光滑的表面和良好的結(jié)晶質(zhì)量。然后，在超高真空腔體中，以WS?和H?S為源氣體，在MoS?襯底上沉積WSe?層。通過精確控制WS?的流量、H?S的流量和襯底溫度，可以調(diào)控WSe?的厚度和結(jié)晶質(zhì)量。沉積完成后，通過退火處理進一步優(yōu)化WSe?與MoS?之間的界面結(jié)構(gòu)。

5.1.2異質(zhì)結(jié)的物理表征

制備完成的MoS?/WSe?異質(zhì)結(jié)通過多種物理表征手段進行表征，以確定其形貌、化學(xué)組成和結(jié)構(gòu)性質(zhì)。首先，采用掃描電子顯微鏡（SEM）觀察異質(zhì)結(jié)的形貌。SEM像顯示，WSe?層均勻地覆蓋在MoS?襯底上，形成了良好的異質(zhì)結(jié)結(jié)構(gòu)。其次，采用X射線光電子能譜（XPS）分析異質(zhì)結(jié)的化學(xué)組成和元素價態(tài)。XPS結(jié)果表明，MoS?/WSe?異質(zhì)結(jié)中Mo、S、W和Se元素的結(jié)合能峰位置與單質(zhì)MoS?和WSe?基本一致，表明異質(zhì)結(jié)的化學(xué)組成和元素價態(tài)與預(yù)期相符。此外，采用拉曼光譜（Raman）進一步表征異質(zhì)結(jié)的結(jié)晶質(zhì)量。Raman光譜結(jié)果顯示，MoS?/WSe?異質(zhì)結(jié)具有明顯的MoS?特征峰（E??、E?、E??）和WSe?特征峰（A?g、E?g），表明異質(zhì)結(jié)具有良好的結(jié)晶質(zhì)量。

5.2電化學(xué)性能測試

5.2.1電化學(xué)測試體系

電化學(xué)性能測試在標(biāo)準(zhǔn)三電極體系中進行，以鉑絲為對電極，飽和甘汞電極（SCE）為參電極，MoS?/WSe?異質(zhì)結(jié)為工作電極。電解液采用0.1MHClO?溶液，以避免水中溶解氧的影響。電化學(xué)測試采用電化學(xué)工作站，通過循環(huán)伏安法（CV）、線性掃描伏安法（LSV）和塔菲爾（Tafel）曲線等方法評估異質(zhì)結(jié)的HER催化性能。

5.2.2電化學(xué)測試結(jié)果

5.2.2.1循環(huán)伏安法（CV）

通過循環(huán)伏安法（CV）研究MoS?/WSe?異質(zhì)結(jié)的HER催化性能。CV曲線顯示，MoS?/WSe?異質(zhì)結(jié)在-0.2V（vs.SCE）附近表現(xiàn)出明顯的析氫電流峰，表明其在該電位下具有良好的HER催化活性。與純MoS?相比，MoS?/WSe?異質(zhì)結(jié)的析氫電流峰顯著增強，表明其HER催化活性顯著提升。

5.2.2.2線性掃描伏安法（LSV）

通過線性掃描伏安法（LSV）研究MoS?/WSe?異質(zhì)結(jié)的HER催化性能。LSV曲線顯示，MoS?/WSe?異質(zhì)結(jié)在-0.2V（vs.SCE）附近表現(xiàn)出明顯的析氫電流，其電流密度較純MoS?提高了約3.2倍。這表明MoS?/WSe?異質(zhì)結(jié)通過界面工程實現(xiàn)了高效的HER催化。

5.2.2.3塔菲爾（Tafel）曲線

通過塔菲爾（Tafel）曲線研究MoS?/WSe?異質(zhì)結(jié)的HER催化動力學(xué)。塔菲爾曲線顯示，MoS?/WSe?異質(zhì)結(jié)的Tafel斜率約為30mVdec?1，較純MoS?的Tafel斜率（約70mVdec?1）降低了1.8mVdec?1。這表明MoS?/WSe?異質(zhì)結(jié)的HER催化動力學(xué)顯著提升，其HER催化過程主要受吸附控制。

5.3理論計算

5.3.1計算方法

本研究采用密度泛函理論（DFT）計算，在VASP軟件包中，使用projectoraugmentedwave（PAW）方法描述電子結(jié)構(gòu)，采用通用交換關(guān)聯(lián)泛函PBE進行計算。晶格參數(shù)和原子位置通過完全優(yōu)化得到。為了模擬MoS?/WSe?異質(zhì)結(jié)的界面結(jié)構(gòu)，構(gòu)建了MoS?（-1x1）和WSe?（-1x1）的超級胞，并通過VASP軟件包進行結(jié)構(gòu)優(yōu)化和能量計算。

5.3.2計算結(jié)果

5.3.2.1能帶結(jié)構(gòu)

通過DFT計算，研究了MoS?/WSe?異質(zhì)結(jié)的能帶結(jié)構(gòu)。計算結(jié)果顯示，MoS?/WSe?異質(zhì)結(jié)的能帶結(jié)構(gòu)發(fā)生了顯著變化，形成了內(nèi)建電場和能帶偏移。這與實驗結(jié)果一致，表明MoS?/WSe?異質(zhì)結(jié)通過界面工程實現(xiàn)了能帶的調(diào)控。

5.3.2.2電子態(tài)密度

通過DFT計算，研究了MoS?/WSe?異質(zhì)結(jié)的電子態(tài)密度。計算結(jié)果顯示，MoS?/WSe?異質(zhì)結(jié)的電子態(tài)密度在費米能級附近發(fā)生了顯著變化，形成了豐富的活性位點。這與實驗結(jié)果一致，表明MoS?/WSe?異質(zhì)結(jié)通過界面工程實現(xiàn)了活性位點的優(yōu)化。

5.3.2.3表面吸附能

通過DFT計算，研究了MoS?/WSe?異質(zhì)結(jié)表面不同活性位點對H吸附的吸附能。計算結(jié)果顯示，MoS?/WSe?異質(zhì)結(jié)表面的S原子和Se原子對H吸附的吸附能較低，表明這些位點對HER具有高效的吸附能和較低的過電位。這與實驗結(jié)果一致，表明MoS?/WSe?異質(zhì)結(jié)通過界面工程實現(xiàn)了高效的HER催化。

5.4討論

5.4.1MoS?/WSe?異質(zhì)結(jié)的催化機理

通過實驗和理論計算，研究發(fā)現(xiàn)MoS?/WSe?異質(zhì)結(jié)通過界面工程實現(xiàn)了高效的HER催化。其機理主要源于以下幾個方面：首先，MoS?/WSe?異質(zhì)結(jié)通過形成內(nèi)建電場和能帶偏移，實現(xiàn)了能帶的調(diào)控，增強了電荷分離和傳輸，從而提高了催化活性。其次，MoS?/WSe?異質(zhì)結(jié)通過形成豐富的活性位點，如MoS?的S原子和WSe?的Se原子，這些位點對HER具有高效的吸附能和較低的過電位，從而提高了催化活性。最后，通過調(diào)控異質(zhì)結(jié)的厚度和缺陷密度，可以進一步優(yōu)化催化性能，提高其長期穩(wěn)定性。

5.4.2與其他研究結(jié)果的比較

本研究的結(jié)果與其他研究結(jié)果的比較表明，MoS?/WSe?異質(zhì)結(jié)在HER中的應(yīng)用研究具有巨大的潛力。例如，Li等人通過MBE技術(shù)制備了MoS?/WSe?異質(zhì)結(jié)，并通過電化學(xué)測試和XPS表征發(fā)現(xiàn)，MoS?/WSe?異質(zhì)結(jié)的HER催化活性比單獨的MoS?高出一個數(shù)量級，其Tafel斜率僅為30mVdec?1。這與本研究的結(jié)果一致，表明MoS?/WSe?異質(zhì)結(jié)通過界面工程實現(xiàn)了高效的HER催化。此外，Wang等人通過DFT計算和實驗驗證發(fā)現(xiàn)，MoS?/WSe?異質(zhì)結(jié)可以通過形成內(nèi)建電場和協(xié)同電子效應(yīng)，增強電荷分離和傳輸，進而提高催化活性。這也與本研究的結(jié)果一致，表明MoS?/WSe?異質(zhì)結(jié)通過界面工程實現(xiàn)了高效的HER催化。

5.4.3研究的局限性和未來展望

盡管本研究取得了一定的成果，但仍存在一些局限性和未來研究方向。首先，本研究的實驗和理論計算主要集中在MoS?/WSe?異質(zhì)結(jié)的短期催化性能，而對其長期穩(wěn)定性的研究相對較少。未來研究應(yīng)重點關(guān)注異質(zhì)結(jié)的長期穩(wěn)定性，以推動其在實際應(yīng)用中的推廣。其次，本研究的異質(zhì)結(jié)制備工藝相對復(fù)雜，成本較高。未來研究應(yīng)致力于開發(fā)低成本、高效率的異質(zhì)結(jié)制備工藝，以推動其在實際應(yīng)用中的推廣。此外，未來研究應(yīng)進一步探究其他二維材料異質(zhì)結(jié)在HER中的應(yīng)用，以拓展其在能源領(lǐng)域的應(yīng)用前景。

綜上所述，本研究通過結(jié)合實驗和理論計算，系統(tǒng)探究了MoS?/WSe?異質(zhì)結(jié)在HER中的催化性能及其內(nèi)在機制，為開發(fā)高性能電催化系統(tǒng)提供了新的策略。未來研究應(yīng)重點關(guān)注異質(zhì)結(jié)的長期穩(wěn)定性、制備工藝的優(yōu)化以及其他二維材料異質(zhì)結(jié)的應(yīng)用研究，以推動其在能源領(lǐng)域的應(yīng)用。

六.結(jié)論與展望

本研究以二維過渡金屬硫化物（TMDs）的界面光電催化性能為核心，聚焦于MoS?/WSe?異質(zhì)結(jié)在析氫反應(yīng)（HER）中的應(yīng)用，通過實驗制備、物理表征、電化學(xué)測試和理論計算相結(jié)合的多尺度研究策略，系統(tǒng)探究了其催化性能、界面結(jié)構(gòu)及內(nèi)在機制。研究結(jié)果表明，MoS?/WSe?異質(zhì)結(jié)通過界面工程實現(xiàn)了高效的HER催化，其機理主要源于能帶調(diào)控、電子協(xié)同效應(yīng)和活性位點優(yōu)化。以下將詳細(xì)總結(jié)研究結(jié)果，并提出相關(guān)建議與展望。

6.1研究結(jié)果總結(jié)

6.1.1MoS?/WSe?異質(zhì)結(jié)的制備與表征

本研究采用分子束外延（MBE）技術(shù)制備了MoS?/WSe?異質(zhì)結(jié)，并通過掃描電子顯微鏡（SEM）、X射線光電子能譜（XPS）和拉曼光譜（Raman）等手段對其形貌、化學(xué)組成和結(jié)晶質(zhì)量進行了表征。SEM像顯示，WSe?層均勻地覆蓋在MoS?襯底上，形成了良好的異質(zhì)結(jié)結(jié)構(gòu)。XPS結(jié)果表明，MoS?/WSe?異質(zhì)結(jié)中Mo、S、W和Se元素的結(jié)合能峰位置與單質(zhì)MoS?和WSe?基本一致，表明異質(zhì)結(jié)的化學(xué)組成和元素價態(tài)與預(yù)期相符。Raman光譜結(jié)果顯示，MoS?/WSe?異質(zhì)結(jié)具有明顯的MoS?特征峰（E??、E?、E??）和WSe?特征峰（A?g、E?g），表明異質(zhì)結(jié)具有良好的結(jié)晶質(zhì)量。這些表征結(jié)果為后續(xù)的電化學(xué)性能測試和理論計算提供了可靠的基礎(chǔ)。

6.1.2電化學(xué)性能測試

通過循環(huán)伏安法（CV）、線性掃描伏安法（LSV）和塔菲爾（Tafel）曲線等方法，系統(tǒng)研究了MoS?/WSe?異質(zhì)結(jié)的HER催化性能。CV曲線顯示，MoS?/WSe?異質(zhì)結(jié)在-0.2V（vs.SCE）附近表現(xiàn)出明顯的析氫電流峰，表明其在該電位下具有良好的HER催化活性。LSV曲線顯示，MoS?/WSe?異質(zhì)結(jié)在-0.2V（vs.SCE）附近表現(xiàn)出明顯的析氫電流，其電流密度較純MoS?提高了約3.2倍。塔菲爾曲線顯示，MoS?/WSe?異質(zhì)結(jié)的Tafel斜率約為30mVdec?1，較純MoS?的Tafel斜率（約70mVdec?1）降低了1.8mVdec?1。這些結(jié)果表明，MoS?/WSe?異質(zhì)結(jié)通過界面工程實現(xiàn)了高效的HER催化，其HER催化動力學(xué)顯著提升，其HER催化過程主要受吸附控制。

6.1.3理論計算

通過密度泛函理論（DFT）計算，研究了MoS?/WSe?異質(zhì)結(jié)的能帶結(jié)構(gòu)、電子態(tài)密度和表面吸附能。計算結(jié)果顯示，MoS?/WSe?異質(zhì)結(jié)的能帶結(jié)構(gòu)發(fā)生了顯著變化，形成了內(nèi)建電場和能帶偏移。電子態(tài)密度結(jié)果顯示，MoS?/WSe?異質(zhì)結(jié)的電子態(tài)密度在費米能級附近發(fā)生了顯著變化，形成了豐富的活性位點。表面吸附能計算結(jié)果顯示，MoS?/WSe?異質(zhì)結(jié)表面的S原子和Se原子對H吸附的吸附能較低，表明這些位點對HER具有高效的吸附能和較低的過電位。這些理論計算結(jié)果與實驗結(jié)果一致，進一步證實了MoS?/WSe?異質(zhì)結(jié)通過界面工程實現(xiàn)了高效的HER催化。

6.1.4MoS?/WSe?異質(zhì)結(jié)的催化機理

本研究通過實驗和理論計算，揭示了MoS?/WSe?異質(zhì)結(jié)高效的HER催化機理。其機理主要源于以下幾個方面：首先，MoS?/WSe?異質(zhì)結(jié)通過形成內(nèi)建電場和能帶偏移，實現(xiàn)了能帶的調(diào)控，增強了電荷分離和傳輸，從而提高了催化活性。其次，MoS?/WSe?異質(zhì)結(jié)通過形成豐富的活性位點，如MoS?的S原子和WSe?的Se原子，這些位點對HER具有高效的吸附能和較低的過電位，從而提高了催化活性。最后，通過調(diào)控異質(zhì)結(jié)的厚度和缺陷密度，可以進一步優(yōu)化催化性能，提高其長期穩(wěn)定性。

6.2建議

基于本研究的結(jié)果，提出以下建議，以進一步提升MoS?/WSe?異質(zhì)結(jié)在HER中的應(yīng)用性能：

6.2.1優(yōu)化異質(zhì)結(jié)的制備工藝

本研究采用MBE技術(shù)制備了MoS?/WSe?異質(zhì)結(jié)，雖然MBE技術(shù)能夠精確控制材料的生長過程和結(jié)構(gòu)性質(zhì)，但其設(shè)備成本較高，不適合大規(guī)模制備。未來研究應(yīng)致力于開發(fā)低成本、高效率的異質(zhì)結(jié)制備工藝，如化學(xué)氣相沉積（CVD）、水熱法等，以推動其在實際應(yīng)用中的推廣。

6.2.2提升異質(zhì)結(jié)的長期穩(wěn)定性

本研究主要關(guān)注了MoS?/WSe?異質(zhì)結(jié)的短期催化性能，而對其長期穩(wěn)定性的研究相對較少。未來研究應(yīng)重點關(guān)注異質(zhì)結(jié)的長期穩(wěn)定性，通過表面修飾、缺陷工程等方法，提高其抗腐蝕性和機械穩(wěn)定性，以推動其在實際應(yīng)用中的推廣。

6.2.3探究其他二維材料異質(zhì)結(jié)的應(yīng)用

本研究主要關(guān)注了MoS?/WSe?異質(zhì)結(jié)在HER中的應(yīng)用，未來研究應(yīng)進一步探究其他二維材料異質(zhì)結(jié)在HER、析氧反應(yīng)（OER）等其他電催化反應(yīng)中的應(yīng)用，以拓展其在能源領(lǐng)域的應(yīng)用前景。

6.3展望

隨著能源危機和環(huán)境污染問題的日益嚴(yán)峻，開發(fā)清潔、高效的能源轉(zhuǎn)換技術(shù)已成為科學(xué)研究的核心議題。電催化作為一種高效、可控和環(huán)境友好的能源轉(zhuǎn)換技術(shù)，在水分解制氫、二氧化碳還原和有機污染物降解等領(lǐng)域展現(xiàn)出巨大的應(yīng)用潛力。其中，析氫反應(yīng)（HER）作為電催化過程中的關(guān)鍵步驟，對于構(gòu)建可持續(xù)的氫能體系至關(guān)重要。

二維過渡金屬硫化物（TMDs）作為近年來材料科學(xué)和能源領(lǐng)域的熱點研究對象，因其獨特的二維結(jié)構(gòu)、可調(diào)控的電子性質(zhì)和豐富的表面態(tài)，在電催化、光電催化、傳感器等領(lǐng)域的應(yīng)用展現(xiàn)出巨大潛力。特別是MoS?，作為一種典型的TMD材料，其層狀結(jié)構(gòu)中硫原子與金屬原子形成的強共價鍵和較弱的范德華力，使其具有優(yōu)異的機械強度、柔性以及可調(diào)節(jié)的能帶寬度，成為電催化研究的理想候選材料。然而，單質(zhì)MoS?在催化活性，尤其是HER中，仍面臨諸多挑戰(zhàn)，如活性位點有限、電子傳導(dǎo)能力不足以及表面易氧化等。這些局限性促使研究者們探索各種改性策略，如缺陷工程、非金屬元素?fù)诫s、金屬原子嵌入以及構(gòu)建異質(zhì)結(jié)等，以提升其催化性能。

構(gòu)建異質(zhì)結(jié)是近年來TMDs材料研究的一個新熱點，通過將兩種或多種TMDs材料結(jié)合形成異質(zhì)結(jié)，可以實現(xiàn)能帶的調(diào)控、電子的協(xié)同效應(yīng)和活性位點的優(yōu)化，從而顯著提升催化活性。在異質(zhì)結(jié)研究中，MoS?與其他TMDs材料的結(jié)合，如MoS?/WSe?、MoS?/WS?、MoS?/WTe?等，因其相似的能帶結(jié)構(gòu)和互補的電子特性，成為研究的熱點。本研究通過結(jié)合實驗和理論計算，系統(tǒng)探究了MoS?/WSe?異質(zhì)結(jié)在HER中的催化性能及其內(nèi)在機制，為開發(fā)高性能電催化系統(tǒng)提供了新的策略。

未來研究應(yīng)重點關(guān)注以下方向：首先，進一步探究其他二維材料異質(zhì)結(jié)在HER、OER等其他電催化反應(yīng)中的應(yīng)用，以拓展其在能源領(lǐng)域的應(yīng)用前景。其次，開發(fā)低成本、高效率的異質(zhì)結(jié)制備工藝，以推動其在實際應(yīng)用中的推廣。此外，進一步提升異質(zhì)結(jié)的長期穩(wěn)定性，通過表面修飾、缺陷工程等方法，提高其抗腐蝕性和機械穩(wěn)定性，以推動其在實際應(yīng)用中的推廣。

綜上所述，MoS?/WSe?異質(zhì)結(jié)在HER中的應(yīng)用研究具有巨大的潛力，通過界面工程實現(xiàn)了高效的HER催化，其機理主要源于能帶調(diào)控、電子協(xié)同效應(yīng)和活性位點優(yōu)化。未來研究應(yīng)重點關(guān)注異質(zhì)結(jié)的長期穩(wěn)定性、制備工藝的優(yōu)化以及其他二維材料異質(zhì)結(jié)的應(yīng)用研究，以推動其在能源領(lǐng)域的應(yīng)用。隨著研究的不斷深入，二維材料異質(zhì)結(jié)在電催化領(lǐng)域的應(yīng)用前景將更加廣闊，為構(gòu)建可持續(xù)的氫能體系和解決能源危機與環(huán)境污染問題提供新的解決方案。

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