Синтез, электронная структура и функциональные свойства наноматериалов на основе MoS2 и WS2

Дисульфид молибдена MoS2 и дисульфид вольфрама WS2 относятся к семейству двумерных слоистых материалов и интересны для различных приложений благодаря большой площади поверхности, относительно небольшой энергетической щели, возможности получения гетероструктур с графеном, химической и механической стабильности, а также доступности реагентов для синтеза. В настоящем проекте предлагается синтезировать и исследовать наноматериалы на основе MoS2 и WS2 для электрохимического получения электроэнергии (метал-ионные аккумуляторы и суперконденсаторы), детектирования газов и в каталитических процессах. Все эти приложения требуют наличия активных адсорбционных центров, которые будут создаваться посредством гетероатомного допирования и вакансионных дефектов. Синтез наноматериалов будет осуществляться с использованием двух основных методов: осаждение химических паров (CVD – chemical vapor deposition) и разложение соединений, содержащих целевые элементы, в условиях термического шока. Первый метод позволяет формировать слои MoS2 и WS2, ориентированные вдоль или перпендикулярно подложке, обеспечивая различное соотношение атомов базальной плоскости и граничных атомов в материале. Для создания композиций с CVD графеном, слоистая пленка будет отделена от ростовой подложки. Второй метод синтеза является оригинальной разработкой авторов проекта, защищённой патентом РФ № 2751131 от 08.07.2021. Быстрое термическое разложение прекурсоров приводит к формированию пористых пластинок, состоящих из искривленных слоев дисульфида металла. Использование в синтезе оксида графита позволяет получить гибриды из ковалентно связанных графена и MoS2 (WS2). Актуальность настоящего исследования заключается в необходимости установления взаимосвязей между структурой (наличие гетероатомов, граничных состояний, вакансий, графеновой компоненты), электронным состоянием и функциональными характеристиками наноматериала, что необходимо для разработки оптимальных подходов синтеза MoS2 и WS2 и их практического использования в альтернативных источниках тока и для мониторинга окружающей среды. Детальное исследование структуры и электронного строения таких наноматериалов требует использования специфических методов, а именно, спектроскопии протяженной тонкой структуры рентгеновского поглощения (EXAFS) для выявления координации элементов, и рентгеновской спектроскопии поглощения (XANES) для определения электронного состояния элементов. EXAFS и XANES эксперименты будут проводиться с использованием синхротронного излучения УНУ Института ядерной физики СО РАН. Структура и состав наноматериалов будут также изучаться методами рентгенофазового анализа (РФА), спектроскопии комбинационного рассеяния света (КРС), растровой электронной микроскопии (РЭМ), просвечивающей электронной микроскопии высокого разрешения (ПЭМ ВР), рентгеновской фотоэлектронной спектроскопии (РФЭС). Электрохимические исследования электродных материалов в натрий-ионных аккумуляторах и суперконденсаторах будут проводиться в гальваностатическом режиме, методом циклической вольтамперометрии и спектроскопии электрохимического импеданса. Катализаторы будут испытаны в реакциях получения водорода при разложении муравьиной кислоты или метанола. Высокая селективность и эффективность катализаторов ожидается при внедрении в решетку наноматериала атомов Ni или Co. Сенсорные свойства будут исследованы по отношению к газам NO2, NH3, H2 и H2S в инертной и влажной атмосферах. Экспериментальные исследования на всех их стадиях будут сопровождаться DFT (density functional theory) расчетами модельных кластеров и периодических структур. Новизна планируемого исследования заключается в разработке эффективных подходов синтеза допированных наноматериалов MoS2 и WS2 и их композиций с графеном, в том числе с использованием нового «взрывного» метода, и проведении in situ и operando исследований этих материалов в электрохимических и каталитических процессах, а также при адсорбции аналитов с использованием синхротронного излучения.