二维层状过渡金属二硫属化物纳米片的化学.doc

二维层状过渡金属二硫属化物纳米片的化学
超薄二维层状过渡金属二硫属化物纳米片（TMDs）是从根本上和技术上耐人寻味的。相比于石墨烯片，它们是化学通用的。单个或几个层次的TDMs-可以通过散装材料的剥离，或自底向上的合成获得-是直接带隙半导体，其带隙能量，以及载流子类型（n型或p型），取决于它们的化合物之间的变化组成，结构和维度。在这篇综述中，我们描述了，TMDs的可调电子结构如何使他们对各种应用更具吸引力。他们已经研究了析氢和加氢脱硫化学活性的电催化剂，以及在光电子领域中的电活性材料。他们的形态和属性也可用于储能应用，如锂离子电池和超级电容器的电极。
最近的研究表明，在确定它们的基本属性时，除了材料中的原子的组合和安排，维度也起着至关重要的作用。在过去的几年里最引人注目的是二维（2D）的石墨，它展现出的异于常理的凝聚态现象在散装石墨中是少有的。石墨烯的快速发展和制备超薄层方法的进步导致人们对其他二维材料的研究。特别是，过渡金属二硫属化物的单层（TMDs）层状结构类似于石墨，已得到人们的显著关注，因为他们中的一些是有相当大的带隙的半导体而且在自然界里是丰富的。
石墨烯从根本上和技术上对于许多应用是有意思的，它是一种惰性气体，并且只能由所需分子的官能化使其具有活性，这又反过来导致一些外来属性的损失。与此相反，单层的2维的TDMs-其通式为MX2，其中M是一种组4-10的过渡金属，X是硫族元素（图1）-展现出丰富的化学性。这为各种领域的基础和技术上的研究提供了机会，包括催化，储能，传感和电子设备，如场效应晶体管和逻辑电路。
散装TMDs的属性是多种多样的——从绝缘体如HfS2，半导体如MoS2和WS2，半金属如WTe2和TiSe2，真正的金属如NbS2和VSe2。几个散装的TMDs如NbSe2和TaS2表现出低温现象，包括超导，电荷密度波（CDW，晶格周期性的失真）和Mott过渡（金属到非金属的过渡）。这些材料剥离成单或几层最大程度地保留了它们的属性，此外由于禁闭效应，也导致了额外的特性。MX2化合物的化学性质为超越石墨和寻找无机2D材料开辟新的基本面和技术途径提供了的机会。
在这篇综述中，我们强调单层TMDs一些有趣的性质，以及它们是如何受组成元素影响的。其合成的某些进展，是在化学气相沉积（CVD）和散装物料的化学剥离的基础上，正被评论随着所得的二维材料作为在能量存储装置中的电极，电析氢反应的电催化剂，并作为灵活的光电子器件的高性能材料。
组成，晶相结构和电子结构
许多TMDs结晶中的类石墨层状结构，导致强烈的各向异性在电气，化学，机械和热性能。4-7组TMDs的图1a主要是分层的，而8–10组TMDs中的一些是常见的非层状结构。
在层状结构中，每一层的厚度通常为6〜7埃，它由夹在两层之间的硫族原子的金属原子的六角堆积层组成。层内的M-X键在本质上主要是共价键，而夹心层由微弱的范德瓦尔斯力耦合从而使沿晶体沿层的表面容易切割。有研究表明，单层发展的脉动结构在石墨烯的情况下是稳定的。研究表明，在石墨案例中，由波纹结构的发展，单层结构是稳定的。
金属原子提供了四个电子填充TMDs的接合状态，金属（M）和硫族原子（X）的氧化态分别为+4和-2。硫属原子的孤对电子的中止层的表面，以及不饱和键使这些层对环境物种反应变得稳定。M-M键长在3.15埃和4.03埃之间变化，这取决于金属和硫属元素的离子的大小。这些值比在元素过渡金属固体中发现的键长大15-25％，这意味着在TMD化合物中d轨道的有限能量和空间重叠。层状TMDs的金属配位可以是三角棱柱或八面体（通常扭曲，有时也简称为三角棱柱）如图1b和c所示。根据不同的金属和硫属元素的组合，两个配位模式中的一个在热力学上是优选的。
与石墨相反，散装TMDs表现出各种各样的多晶型物和层叠多型体（多态性的一个具体案例），这是由于一个单独的MX2单层，它本身包含三层原子（X-M-X），可以在这两个阶段中的任一个。最常遇到的多晶型物是1T，2H，3R其中字母表示三方晶系，六方晶系，菱面体，数字表示在单元电池中X-M-X单元的的数量（即，在层的数量堆叠顺序）。有三种不同的多型体2H多晶型物（即，三个不同的堆叠顺序）。根据其形成的历史，可以发现在一个单一的TMD的多种多晶型物或多型体。例如，常见的天然二硫化钼'2H相'的堆叠顺序是AbABaB（大写和小写字母分别表示硫族元素和金属原子）。但是，合成的二硫化钼（MoS2）往往包含3R相它的堆叠顺序是AbACaCBcB（参见25）。在这两种情况下，金属配位是三角棱柱。第4组TMDS如TiS2假设的的1T阶段的堆叠顺序是AbCAbC和金属配位是八面体。为了简单起见，我们将我们的注意力集中在下面对单层TMDs的讨论中。
应该强调的是单层的TMDS只表现出两种晶型：三角棱柱