Новый метод обработки дисульфида молибдена (MoS₂) для использования его в качестве катализатора, а также в устройствах оптоэлектроники и энергетики разработали ученые группы TERS-Team Исследовательской школы химических и биомедицинских технологий (ИШХБМТ) Томского политехнического университета (ТПУ), 15 ноября сообщает пресс-служба университета.

Исследователи облучили многослойный MoS₂ мощным лазером, создав дефекты в структуре материала. Это позволило отказаться от дополнительных восстановителей для осаждения наночастиц серебра на поверхность дисульфида молибдена, получив при этом модифицированный материал с высокой каталитической активностью. Такой материал будет востребован при разработке высокопроизводительных 2D-полупроводников.

Результаты работы ученые представили в статье «Лазерно-индуцированная фототермическая активация многослойного MoS₂ с пространственно контролируемой каталитической активностью», опубликованной в Journal of Colloid and Interface Science (Q1; IF: 9,965).

Одним из альтернативных недорогих возобновляемых источников энергии является солнечная. Ее можно преобразовывать с помощью фотокатализа в химическую и хранить в виде химических соединений для дальнейшего использования. И задачей науки для развития солнечной энергетики в настоящее время является поиск материалов с высокой фотокаталитической активностью.

Дисульфид молибдена способен поглощать свет в широком диапазоне солнечного спектра из-за малой ширины запрещенной зоны (диапазон энергий, которыми не может обладать электрон в кристалле), а серебро является хорошим катализатором. При сочетании этих двух материалов возникает синергетический эффект, при котором MoS₂ выполняет роль каталитической платформы, а серебро усиливает поглощение света и перенос электронов.

Для осаждения частиц серебра на поверхность многослойного дисульфида молибдена ученые ТПУ разработали новый эффективный способ. Они установили в процессе исследований, что после погружения обработанного лазером дисульфида молибдена в нитрат серебра происходит восстановление частиц серебра на облученных областях MoS₂.

Как рассказал инженер ИШХБМТ Чан Туан Хоанг, с помощью масштабируемого подхода можно обработкой лазером создавать в материале дефекты, обладающие более высокой химической активностью, чем стабильная кристаллическая структура.

Это позволяет восстанавливать наночастицы серебра без внешних стимулов — фотонов или химических восстановителей. Для необлученного MoS₂ это невозможно. Таким образом, предварительное облучение лазером упрощает технологию и увеличивает эффективность процесса.

«Для изучения фотокаталитической эффективности материала мы использовали модельную молекулу пара-нитротиофенола и наблюдали, что фотокаталитическая эффективность нашей MoS₂/Ag наноструктуры близка к 100%, по сравнению с 35% для наночастиц серебра», — пояснил инженер, уточнив, что они исследовали механизм лазерного облучения MoS₂ непрерывным лазером.

При этом оказалось, что процесс лазерной резки является фототермическим и на локальную температуру, от которой зависит результат обработки, сильное влияние оказывает тип подложки.

«Полученные результаты способствуют более глубокому пониманию светоиндуцированной модификации свойств MoS₂ и открывают новый способ управления его химической активностью в контролируемой области. Понимая механизмы процесса на микромасштабе, мы сможем повысить его эффективность и понять, как его масштабировать», — прокомментировал результаты экспериментов руководитель проекта, профессор ИШХБМТ Рауль Родригес.

Ученые намерены провести дополнительные исследования механизма лазерно-индуцированного фототермического нагрева, чтобы определить его влияние на свойства материалов. Еще одним направлением экспериментов будет изучение свойств различных комбинаций 2D-материалов и металлов после лазерной обработки, а также возможности применения этого метода для других каталитических процессов в различных отраслях производства.