摘要：中國科學院理化技術研究所郭維團隊報道了一種基于過渡金屬硫族化合物（TMDs）范德瓦爾斯異質(zhì)結(jié)構的光誘導離子輸運系統(tǒng)。這項研究工作實現(xiàn)了光能到離子能發(fā)電的概念。光誘導的定向離子輸運可看作人工納米流體中一種新的非對稱輸運性質(zhì)，這將激發(fā)廣泛的基礎研究和諸多實際應用。

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

在電池等電化學系統(tǒng)中，納米尺度限域條件下的離子輸運至關重要。隨著在溶液中加工和處理二維膠體材料的進展，所分離出的二維納米片可通過層間范德瓦爾斯吸引力重新組裝成穩(wěn)定的層狀結(jié)構。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，是研究離子輸運的新平臺。近年來，光作為一種新提出的驅(qū)動力，可以遠程、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現(xiàn)逆濃度梯度的主動輸運 (active transport)。

目前，大多數(shù)光致離子輸運體系存在于均質(zhì)材料中，關于異質(zhì)結(jié)構的研究仍然是一個挑戰(zhàn)。在邁向下一代光能轉(zhuǎn)換體系的進程中，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)構成為靈感源泉。在眾多二維材料當中， 過渡金屬硫族化合物 （TMDs）具有光-物質(zhì)相互作用強、應用范圍廣等特點，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)構涵蓋了I型、II型，甚至III型半導體異質(zhì)結(jié)。這將有助于在層狀結(jié)構中進行有效的電荷轉(zhuǎn)移，并在原子層之間產(chǎn)生新的離子傳輸驅(qū)動機制。


近日，中國科學院理化技術研究所郭維團隊報道了一種基于過渡金屬硫族化合物范德瓦爾斯異質(zhì)結(jié)構的光誘導離子輸運系統(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， 并證明了輸運是由WS2/MoS2異質(zhì)結(jié)構II型能帶排列引起的光伏效應引起。在優(yōu)化條件下，該系統(tǒng)收獲的最大功率密度達到2 mW·m-2。以前關于范德瓦爾斯異質(zhì)結(jié)的研究多局限于單原子片層之間的光學和電子學特性，且測試通常在干燥的空氣中進行。

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驅(qū)動二維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域有巨大潛力。