摘要：中國(guó)科學(xué)院理化技術(shù)研究所郭維團(tuán)隊(duì)報(bào)道了一種基于過(guò)渡金屬硫族化合物（TMDs）范德瓦爾斯異質(zhì)結(jié)構(gòu)的光誘導(dǎo)離子輸運(yùn)系統(tǒng)。這項(xiàng)研究工作實(shí)現(xiàn)了光能到離子能發(fā)電的概念。光誘導(dǎo)的定向離子輸運(yùn)可看作人工納米流體中一種新的非對(duì)稱(chēng)輸運(yùn)性質(zhì)，這將激發(fā)廣泛的基礎(chǔ)研究和諸多實(shí)際應(yīng)用。

關(guān)鍵詞：范德瓦爾斯異質(zhì)結(jié)，過(guò)渡金屬硫族化合物，層狀材料,離子輸運(yùn)，光

在電池等電化學(xué)系統(tǒng)中，納米尺度限域條件下的離子輸運(yùn)至關(guān)重要。隨著在溶液中加工和處理二維膠體材料的進(jìn)展，所分離出的二維納米片可通過(guò)層間范德瓦爾斯吸引力重新組裝成穩(wěn)定的層狀結(jié)構(gòu)。這些基于二維材料的宏觀薄膜含有大量的納米、甚至亞納米尺度的離子、流體通道，是研究離子輸運(yùn)的新平臺(tái)。近年來(lái)，光作為一種新提出的驅(qū)動(dòng)力，可以遠(yuǎn)程、非侵入性地操縱人造材料中的分子和離子傳輸，從而在完全非生命的人工材料體系中實(shí)現(xiàn)逆濃度梯度的主動(dòng)輸運(yùn) (active transport)。

目前，大多數(shù)光致離子輸運(yùn)體系存在于均質(zhì)材料中，關(guān)于異質(zhì)結(jié)構(gòu)的研究仍然是一個(gè)挑戰(zhàn)。在邁向下一代光能轉(zhuǎn)換體系的進(jìn)程中，由兩種或多種二維材料重組形成的范德瓦爾斯異質(zhì)結(jié)構(gòu)成為靈感源泉。在眾多二維材料當(dāng)中， 過(guò)渡金屬硫族化合物 （TMDs）具有光-物質(zhì)相互作用強(qiáng)、應(yīng)用范圍廣等特點(diǎn)，是具有代表性的光活性材料?；赥MDs的范德瓦爾斯異質(zhì)結(jié)構(gòu)涵蓋了I型、II型，甚至III型半導(dǎo)體異質(zhì)結(jié)。這將有助于在層狀結(jié)構(gòu)中進(jìn)行有效的電荷轉(zhuǎn)移，并在原子層之間產(chǎn)生新的離子傳輸驅(qū)動(dòng)機(jī)制。


近日，中國(guó)科學(xué)院理化技術(shù)研究所郭維團(tuán)隊(duì)報(bào)道了一種基于過(guò)渡金屬硫族化合物范德瓦爾斯異質(zhì)結(jié)構(gòu)的光誘導(dǎo)離子輸運(yùn)系統(tǒng)。

研究人員將WS2和MoS2納米片組裝成具有雙面神結(jié)構(gòu)的多層異質(zhì)膜（Janus TMD membrane, JTMDM），發(fā)現(xiàn)其在光照下J-TMDM能夠引起平衡濃度溶液間的離子定向傳輸， 并證明了輸運(yùn)是由WS2/MoS2異質(zhì)結(jié)構(gòu)II型能帶排列引起的光伏效應(yīng)引起。在優(yōu)化條件下，該系統(tǒng)收獲的最大功率密度達(dá)到2 mW·m-2。以前關(guān)于范德瓦爾斯異質(zhì)結(jié)的研究多局限于單原子片層之間的光學(xué)和電子學(xué)特性，且測(cè)試通常在干燥的空氣中進(jìn)行。

該研究工作將范德華異質(zhì)結(jié)拓展到多層膜體系，并將之置于離子溶液中用來(lái)驅(qū)動(dòng)二維TMDs層間的離子傳輸。該工作在人工光合作用、仿生能量轉(zhuǎn)換，和光控離子電路等領(lǐng)域有巨大潛力。