一、研究背景：

二维压电材料由于其良好的压电性能、大的接触面积、丰富的催化位点和高的弹性应变耐受力等优点在压电催化领域吸引了广泛的关注。但是，大多数压电催化材料的导电性能较差，制备同时具有丰富活性位点和良好导电性的压电催化剂仍是一项具有挑战性的课题。在MoS2的非中心对称结构中，外部应力能够调控其极化电荷及载流子的产生、分离、扩散或重组。然而，MoS2具有金属态边缘的屏蔽效应，严重影响了其压电潜能及电荷的有效转移。通过引入具有良好导电性材料构建异质结构催化剂可以提高其载流子传输性能，为发展新型压电催化剂提供了新思路。但是，目前对于压电催化过程中异质结间的相互作用、电荷转移及其相关物理机制的研究还很有限。此外，压电响应位置、活性边缘不同暴露原子等因素对压电催化材料的设计及压电性能的调控至关重要，然而，人们对这些方面的认识仍不清晰，亟待进一步的探究。

二、文章简介：

针对上述问题，近日，吉林大学超硬材料国家重点实验室刘冰冰教授、李全军教授团队联合深圳技术大学工程物理学院邹永涛教授/申鹏飞助理教授、西安电子科技大学先进材料与纳米技术学院杨如森教授以及温州大学生命与环境科学学院赵海洋副教授研究团队对rGO/MoS2二维异质结展开了深入的研究，揭示了其超快压电催化性能的物理机制。相关研究成果发表在Advanced Materials上。吉林大学为论文第一完成单位，深圳技术大学申鹏飞助理教授（原吉林大学博士），西安电子科技大学尹佩博士，深圳技术大学邹永涛教授为共同第一作者。吉林大学刘冰冰教授、李全军教授，西安电子科技大学杨如森教授，温州大学赵海洋副教授为文章共同通讯作者。

三、研究内容：

研究团队选取graphene-based-MoS2heterostructure (GMH)异质结构为研究模板，对异质结的压电特性展开了系统的实验测试和理论研究。首先，利用压电降解有机物实验验证了异质结具有优异的超快压电催化性能。然后，通过压电响应力显微镜证明了压电响应位置在异质结中的MoS2边缘。进一步基于密度泛函理论的第一性原理计算方法验证了rGO/MoS2中的MoS2与rGO存在很强的电荷转移，并且应力能够有效调控异质结的电荷转移特性。随着应力的增加，电荷转移增强。然而，对于独立的MoS2纳米片而言，无论应力如何变化，其电荷转移都保持在0左右，显示出零极化。该结果表明，石墨烯的加入，致使MoS2中压电诱导电荷的产生以及异质结系统中自由电荷出现迁移，打破了MoS2金属态的屏蔽效应。

该工作通过实验和理论模拟对rGO/MoS2异质结的系统研究，深入分析了外部应力对异质结的有效调控，应力下异质结间的相互作用及应力变化对其电荷转移的影响，加深了对rGO/MoS2界面行为的认识，为新型高效压电功能材料的设计提供了重要指导。

图1. (a)GMH扫描电镜图像。(b)GMH的低倍率TEM图像，(c)GMH高分辨率TEM图像。(d)MoS2纳米片的SEM图像，(e)MoS2纳米片的低倍率TEM图像，(f) MoS2纳米片的高分辨率TEM (HRTEM)图像。(g)GMH的示意图。(h)GMH和(i) MoS2纳米片的拉曼光谱。

图2.不同催化剂对RhB和MB溶液的降解活性。(a)不同时间下GMH压电催化降解RhB后的紫外-可见吸收谱图。插图显示了不同时间的RhB溶液的照片。(b)块体MoS2、rGO、MoS2纳米片、MoS2纳米片和rGO的物理混合、GMH (MoS2/rGO)压电催化降解RhB的比较。(c) GMH压电催化降解MB溶液不同时间后的紫外-可见光谱。插图展示了不同时间下MB溶液的照片。(d)块体MoS2、MoS2纳米片和GMH压电催化降解MB的比较。(e)连续3个循环后MB的压电催化降解效率。(f)不同质量比GMH压电催化活性的比较。

图3. (a)在俯视图和侧视图中，MoS2薄片的原子结构分别由S-Mo-S堆叠组成。(b)中间含有Mo原子和三棱柱形几何体的单元。(c)结构单元拉伸前(绿色)和拉伸后(灰色)的俯视图。应变引起Mo-2S偶极子的伸长。(d)压电响应力显微镜（PFM）的振幅图像。插图为GMH的TEM图像。(e) GMH压电催化降解有机染料的氧化还原反应示意图。

图4. (a) GMH和独立MoS2纳米片的模型。图中MoS2层被分为10条，每条含有6个S原子和3个Mo原子。(b)不同外部应变下总电荷转移的变化。(c)异质结和(d)独立MoS2纳米片在不同应变下的边缘和内部电荷转移。异质结中(e)MoS2左边缘（对应暴露原子S）和(f) MoS2右边边缘（对应暴露原子Mo）的电荷转移。

四、结论与展望：

该工作设计了一种由MoS2薄片和rGO组成的异质结（GMH），该GMH表现出对有机污染物的超快速压电催化降解活性。PFM测量和DFT计算揭示了影响催化过程的关键因素，如压电势的位置、材料的导电性能和压电性能、电子转移的界面位置以及边缘暴露原子的影响。在应力下，MoS2和rGO的紧密相互作用导致MoS2片沿边缘产生大量极化电荷。异质结构中导电性和压电特性之间的耦合缓解了MoS2边缘的金属态屏蔽效应。这些作用显著提升了rGO/MoS2异质结的压电催化性能。该项工作不仅探究了外部应力对rGO/MoS2异质结电荷转移的影响，而且加深了对异质结界面相互作用行为的认识，为设计先进的压电催化剂提供了新的启示和新途径。