中科院理化所郭维AM：范德瓦尔斯异质结上的平衡态离子能发电

摘要：中国科学院理化技术研究所郭维团队报道了一种基于过渡金属硫族化合物（TMDs）范德瓦尔斯异质结构的光诱导离子输运系统。这项研究工作实现了光能到离子能发电的概念。光诱导的定向离子输运可看作人工纳米流体中一种新的非对称输运性质，这将激发广泛的基础研究和诸多实际应用。

关键词：范德瓦尔斯异质结，过渡金属硫族化合物，层状材料,离子输运，光

在电池等电化学系统中，纳米尺度限域条件下的离子输运至关重要。随着在溶液中加工和处理二维胶体材料的进展，所分离出的二维纳米片可通过层间范德瓦尔斯吸引力重新组装成稳定的层状结构。这些基于二维材料的宏观薄膜含有大量的纳米、甚至亚纳米尺度的离子、流体通道，是研究离子输运的新平台。近年来，光作为一种新提出的驱动力，可以远程、非侵入性地操纵人造材料中的分子和离子传输，从而在完全非生命的人工材料体系中实现逆浓度梯度的主动输运 (active transport)。

目前，大多数光致离子输运体系存在于均质材料中，关于异质结构的研究仍然是一个挑战。在迈向下一代光能转换体系的进程中，由两种或多种二维材料重组形成的范德瓦尔斯异质结构成为灵感源泉。在众多二维材料当中， 过渡金属硫族化合物 （TMDs）具有光-物质相互作用强、应用范围广等特点，是具有代表性的光活性材料。基于TMDs的范德瓦尔斯异质结构涵盖了I型、II型，甚至III型半导体异质结。这将有助于在层状结构中进行有效的电荷转移，并在原子层之间产生新的离子传输驱动机制。


近日，中国科学院理化技术研究所郭维团队报道了一种基于过渡金属硫族化合物范德瓦尔斯异质结构的光诱导离子输运系统。

研究人员将WS2和MoS2纳米片组装成具有双面神结构的多层异质膜（Janus TMD membrane, JTMDM），发现其在光照下J-TMDM能够引起平衡浓度溶液间的离子定向传输， 并证明了输运是由WS2/MoS2异质结构II型能带排列引起的光伏效应引起。在优化条件下，该系统收获的最大功率密度达到2 mW·m-2。以前关于范德瓦尔斯异质结的研究多局限于单原子片层之间的光学和电子学特性，且测试通常在干燥的空气中进行。

该研究工作将范德华异质结拓展到多层膜体系，并将之置于离子溶液中用来驱动二维TMDs层间的离子传输。该工作在人工光合作用、仿生能量转换，和光控离子电路等领域有巨大潜力。