二硫化钼（MoS
2
）因其可调的物理化学特性和超高的电化学活性，已经成为电化学储能器件（超级电容器、锂离子电池、钠离子电池等）的理想电极材料之一。与其他二维材料相似，2H-MoS
2
的结构性和功能性仍受限于以下共性难题：1）层间电导差导致电子传导受阻，2）层间易堆垛导致电化学活性受限，使得2H-MoS
2
很难实现其理论比容量。值得注意的是，通过相转变策略（将半导体和表面化学惰性的2H-MoS
2
转化为金属级导电和表面化学活性的1T-MoS
2
）或设计异质结构（将功能材料（碳材料或MOFs材料等）界面耦合到2H-MoS
2
），能够提升2H-MoS
2
的层间电导和防止层间堆垛。然而，2H-MoS
2
的表面化学惰性和半导体特性使得其与功能材料的界面键合力较弱，造成界面阻抗较大，限制了界面电子传导和电化学活性。理论表明，通过在具有金属级导电和表面化学活性的1T-MoS
2
界面耦合功能材料进而制备1T-MoS
2
超材料，能够有效地增强界面相互作用并促进界面电子转移和氧化还原反应动力学。然而，由于1T-MoS
2
的热力学不稳定性，使得传统间歇式法的界面耦合反应不可避免地造成1T-MoS
2
转变成2H-MoS
2
，因此，如何开发新型的一步合成法，实现1T-MoS
2
超材料的热力学稳定合成，是材料化学工程领域的一大挑战。
微流控技术因其独特的微尺度效应和较快的传质传热速率成为材料化学工程领域的研究热点之一，通过研究微通道内小分子前驱体“三传一反”的过程规律，对于理解新材料功能性和结构性的调控原理具有重要意义。基于此，
河北工业大学化工学院
吴兴江副教授
、
李浩教授
与清华大学化学工程系
徐建鸿教授
合作，
通过设计连续流超声微反应器，强化碱金属离子、葡萄糖和尿素等小分子前驱体在2H-MoS
2
层间的质量传递。随后，基于一步相转变和原位界面耦合策略，实现1T-MoS
2
/g-CN超材料的热力学稳定合成，有效地促进了界面电子传导和氧化还原反应动力学。
主要创新点如下：
(1) 基于菲克第一定律，连续流超声微反应器具有较小的通道尺寸和较高的扩散系数，能够强化碱金属离子、葡萄糖和尿素等小分子前驱体在2H-MoS
2
层间的质量传递。通过分子动力学模拟，研究了小分子反应前驱体浓度、扩散时间和2H-MoS
2
层间距对扩散速率的影响规律，证明了小分子前驱体在2H-MoS
2
层间的质量传递是热力学自发的过程。
(2) 通过一步高温煅烧，2H-MoS
2
与碱金属离子和硫化氢发生插层反应和还原反应并转化成1T-MoS
2
。与此同时，层间的葡萄糖和尿素发生缩合聚合反应并碳化形成g-CN纳米片，并通过C-Mo键原位耦合到1T-MoS
2
界面，进而实现1T-MoS
2
/g-CN超材料的热力学稳定合成。由DFT计算可知，1T-MoS
2
和g-CN具有较强的界面相互作用可以产生丰富的流动电子，使Mo
4+
4d
2
（dxy, dxz, dxz）轨道处于半填充态，进而提高界面电子传导和热力学稳定性，增强界面电子传导和氧化还原动力学。
(3)
得益于较强的界面相互作用（
C-Mo共价键特征：97%）、优异的界面传导（d带中心：-1.2 eV）、丰富的扩散通道（SSA：198.6 m
2
g
-1
）和快速的氧化还原反应动力学（反应能类：0.9 eV），1T-MoS
2
/g-CN超材料具有较高的比容量（2080 F g
-1
）、较大的能量密度（73 mWh g
-1
）和优异的循环稳定性（10000次循环电容保留91%）。该能量密度高于其他MoS
2
电极材料，如：Ti/TiO
2
/MoS
2
（2.74 mWh g
-1
）, MoS
2
/RGO/PANI（22.3 mWh g
-1
）, MoS
2
/G（26.6 mWh g
-1
）, MoS
2
/NiS（31 mWh g
-1
）, NiS/C（31 mWh g
-1
）和MoS
2
/VS
2
（54 mWh g
-1
）等。
该研究成果于近日发表在国际顶级期刊《
ACS Nano
》上。
“Thermodynamically Stable Synthesis of 1T-MoS
2
/g-CN Superstructure with Rapid Redox Kinetics for Robust Capacitive Energy Storage
”。论文的第一作者为
河北工业大学化工学院吴兴江副教授（原清华大学博士后）
和
清华大学化学工程系博士生于旭德
，通讯作者为
河北工业大学化工学院吴兴江副教授
、
李浩教授
和
清华大学化学工程系徐建鸿教授
。
图
1.
(a)连续流微反应热力学稳定地合成1T-MoS
2
/g-CN超材料；(b) 尿素小分子在2H-MoS
2
层间质量传递的分子动力学模拟；(c) 葡萄糖小分子在2H-MoS
2
层间质量传递的分子动力学模拟；(d) 尿素和葡萄糖小分子在2H-MoS
2
层间扩散通量与扩散时间的关系曲线；(e-f) 1T-MoS
2
/g-CN超材料的SEM图。
图
2.
(a) 2H-MoS
2
, 2H-MoS
2
/g-CN和1T-MoS
2
/g-CN超材料在5 mV s
-1
下的CV曲线；(b) 2H-MoS
2
, 2H-MoS
2
/g-CN和1T-MoS
2
/g-CN超材料在不同扫描速率条件下的电容贡献；(c) 2H-MoS
2
, 2H-MoS
2
/g-CN和1T-MoS
2
/g-CN超材料的阻抗图；(d) 1T-MoS
2
/g-CN超材料的循环稳定性和非原位SEM图；(e) 2H-MoS
2
, 2H-MoS
2
/g-CN和1T-MoS
2
/g-CN超材料在1 A g
-1
下的GCD曲线；(f) 2H-MoS
2
, 2H-MoS
2
/g-CN和1T-MoS
2
/g-CN超材料的电容性能；(g) OH
-
离子在1T-MoS
2
/g-CN超材料中扩散过程的分子动力学模拟；(h) OH
-
离子在2H-MoS
2
, 2H-MoS
2
/g-CN和1T-MoS
2
/g-CN超材料中的扩散速率；(i) OH
-
离子和水在2H-MoS
2
, 2H-MoS
2
/g-CN和1T-MoS
2
/g-CN超材料中的半径分布函数曲线。
