随着我国现代化进程的不断深入,我们所面临的资源与环境问题也日渐突出。光/电催化剂作为一种能够实现清洁能源的产生和有效的降解污染物的新型手段,已经成为越来越多科研人员的研究重点。开发设计新型光/电催化剂及其构效关系的解析是其广泛应用的关键所在。其中新型催化剂材料的开发设计主要涉及两个方向:本征活性的提升及活性位点的构建,而催化剂构效关系的解析离不开先进的表征技术以及理论计算的佐证。近年来,研究人员对以MoS2、WS2等为代表的二元层状过渡金属硫族化合物(TMC)纳米结构进行了充分且细致的研究。相比较于二元TMC材料,三元TMC材料具有组分可调、结构可控多变及丰富电子结构等优势而备受关注。因此,对于三元及多元TMC材料的可控合成、结构解析和构效关系的深入研究具有重要的科学意义及实际的应用价值。本论文中,我们以三元Cu2MoS4基催化剂的高效光/电催化反应应用为主线,通过设计绿色可控合成方案,利用维度调控、晶面工程、活性位点构造和界面及复合结构等策略,实现了该类材料的光/电催化性能的提升;依托同步辐射X射线吸收精细结构谱和光电子能谱等先进表征技术,揭示了催化剂的精细结构信息(电子结构,原子结构等);通过基于密度泛函理论的计算,佐证了催化剂材料的构效关系,为三元及多元TMC材料的开发及利用提供引导和借鉴。相关研究内容及取得的成果如下:1.针对三元Cu2MoS4催化剂绿色廉价合成工艺问题,我们采用乙二醇和水为溶剂,通过基于氧化亚铜模板的溶剂热法,成功制备了结晶性优异的立方块状P相和一维带状I相Cu2MoS4纳米材料。通过同步辐射X射线吸收精细结构谱学解析了Cu2MoS4纳米材料的精细结构。探索了不同维度Cu2MoS4纳米材料的形成机理。该工作为绿色、廉价合成多元TMC材料光催化降解有机染料提供了丰富的合成经验。2.为了可控合成特定晶面暴露的Cu2MoS4光催化材料,我们利用改良的溶剂热法成功的制备出{010}暴露的Cu2MoS4纳米管状结构。可见光光催化降解有机污染物实验证明该管状结构的催化性能明显优于{100}面暴露的纳米带状结构,表现出与某些贵金属基光催化剂材料相媲美的光催化能力。同步辐射紫外光电子能谱及密度泛函理论计算表明,不同晶面暴露的Cu2MoS4材料的导带价带结构不一致,从而导致催化性能的巨大差异。该工作为基于多元TMC材料的晶面工程研究提供了实验和理论基础。3.为了进一步构造大量活性位点暴露的Cu2MoS4电催化材料,我们选取不同形貌的氧化亚铜为模板,利用溶剂热法并基于Kirkendal效应合成了具有空心多级结构的Cu2MoS4材料。相较于Cu2MoS4纳米片及纳米颗粒,该空心多级结构样品在电催化产氢性能方面展现出更小的过电位及Tafel斜率,具有更大的潜在应用优势。我们通过进一步的电化学活性表面积的测量发现,该空心多级结构可以暴露出更多的催化活性位点,更有利于催化反应的进行。该思路可以被用于其他TMC空心多级结构的设计和合成中。4.为了实现多相纳米材料的协同增效,我们通过在光催化体系中引入高导电二维石墨烯,制备了具有紧密结合的Cu2MoS4/石墨烯复合结构。该复合材料不仅有效的提升了 Cu2MoS4光催化剂的降解性能,同时还改善了催化剂整体的稳定性。该工作为基于TMC基复合结构的制备及其在光催化有机物降解、水分解、太阳能电池及其他潜在应用开辟了新的道路。5.为了探究复杂助催化剂体系中电子转移及其对Cu2MoS4等光催化剂性能影响,我们利用一步退火法制备了超薄碳层包覆镍纳米颗粒的核壳结构。通过同步辐射 X射线近边吸收谱和理论计算共同得知,该结构中存在电子从超薄碳层转移至Ni和C界面的现象。随后将这种核壳助催化剂与CdS及Cu2MoS4等过渡金属硫化物光催化剂复合,成功地提升了硫化物光催化剂的性能。该项工作为开发廉价高效的非贵金属基光催化助催化剂及其相关光催化作用机理提供了很好的借鉴作用。