近日，我校化学与化工学院韩士奎教授研究团队在阳离子交换反应的相控制领域取得重要研究进展。相关研究成果以“Molybdenum Disulfide Induced Phase Control Synthesis of Multidimensional Co3S4-MoS2Heteronanostructures via Cation Exchange”为题发表在国际著名学术期刊《Angewandte Chemie International Edition》上。文章第一作者为化学与化工学院博士研究生何雨晴和许厚明，通讯作者是韩士奎教授和史成武教授，我校为唯一通讯单位。
在纳米材料合成过程中实现相选择性非常重要，因为晶体结构和组成会影响反应性、生长和性质。离子交换法可以通过改变组成、形貌和尺寸来实现对纳米材料中所需相的靶向控制，然而对异质结体系中的影响晶体结构变化的因素理解仍然缺乏系统性探究。硫化钴因其物相多样性（如CoS、Co9S8、Co3S4等），为研究阳离子交换过程中相选择性提供了一个有启发性的探究平台。该项工作中，研究人员掌握了MoS2诱导相控制方法，通过阳离子交换合成了多维Co3S4-MoS2异质结。Cu1.94S纳米片与Co2+阳离子交换得到Co9S8片，且原始模板形貌基本保持不变。然而Cu1.94S-MoS2异质纳米片阳离子交换的产物为Co3S4-MoS2异质纳米片，研究结果证明MoS2的存在会增加Co2+进入异质结时的能量势垒。
图1：Cu1.94S纳米片和Cu1.94S-MoS2异质纳米片与Co2+在140oC时进行阳离子交换
此转化机制可以扩展到不同维度的Co3S4-MoS2异质结中。例如一维Cu1.94S纳米棒和零维Cu1.94S纳米颗粒与Co2+交换分别生成Co9S8和CoS相，而Cu1.94S-MoS2异质纳米棒和异质纳米颗粒的交换产物均为多维Co3S4-MoS2异质结。此外，该项研究还表明MoS2在阳离子交换反应中不仅起到的物理屏障作用，会调节原Cu1.94S阳离子交换位点的反应性进而改变阳离子交换反应的起始位点。
相关理论计算进一步揭示Co3S4(111)/MoS2(001)的黏附功高于Co9S8(111)/MoS2(001)体系，且Co3S4(111)/MoS2(001)界面的Co-S键长比Co9S8(111)/MoS2(001)的短。以上结果说明MoS2与Co3S4的结合具有更大的优势，同时在MoS2存在下更倾向于转变为Co3S4相，这也与实验结果相符合。
图2：Co3S4(111)/MoS2(001)和Co9S8(111)/MoS2(001)异质结原子晶体结构模型的侧视图和顶视图；基于模型计算出的黏附功和界面处的Co-S键键长
所制备的Co3S4-MoS2异质纳米片在碱性介质下表现出十分优越的析氢性能，是一种性能优越、稳定的非贵金属催化剂。这项工作为实现异质结阳离子交换反应的相控制开辟了新的途径和转化方案，填补了异质结材料在阳离子交换反应中相工程研究的空白，同时也为设计先进高性能催化剂提供了新思路。
该研究工作得到了国家自然科学基金、安徽省重点研发计划、合肥微尺度物质科学国家研究中心等项目的资助。