2021年8月20日，国际顶级期刊《自然·通讯》（Nature Communications）在线发表了我院“柔性电子材料与器件”实验室的最新研究成果“WS2 moiré superlattices derived from mechanical flexibility for hydrogen evolution reaction”（https://www.nature.com/articles/s41467-021-25381-1），通讯作者为赵强教授、王龙禄副教授和黄维院士。该成果将“扭转电子学”应用到能源转化领域，为新型能源转化材料的开发和利用拓展了新思路。
原子尺度上设计得到的莫尔超晶格结构与电性能关系的研究形成了扭转电子学这一全新领域。莫尔超晶格是范德华堆叠的二维层状材料中的特例，由两层二维材料在一定晶格失配度或扭转角的情况下堆叠产生。由于周期性势场调制、层间耦合及存在的应变作用，能够产生与所构成的二维材料不同的新颖物性（例如转角石墨烯的超导电性）。如何以可控且批量制备的方式获得高质量的莫尔超晶格材料，对于扭转电子学的未来实际应用来说至关重要。
有鉴于此，赵强教授研究团队提出了一种合成制备二维莫尔超晶格的新方法：通过一步溶剂热法制备局部扭转形变的螺旋型WS2纳米条带，由于层间存在扭转角而形成莫尔条纹（图1）。该合成方法自下而上，重现性高且可大量合成。莫尔超晶格结构赋予材料优异的导电能力和亲水疏气特性。将该材料旋涂在柔性导电的碳布基底表面，可直接用作析氢催化电极，在0.5 mol/L硫酸电解液中表现出优异的电催化活性：10 mA/cm2电流密度条件下的过电位为60 mV, Tafel斜率低至40 mV/dec，逼近商业Pt/C催化剂。柔性电极制备过程中避免了高分子粘结剂导致的界面电阻，具有更优异的催化性能，对于高效析氢催化电极的开发具有重要的意义。莫尔超晶格结构及自发机械形变在材料表面产生压应变效应，有效降低氢吸附能，进一步促进析氢；该材料独特的几何结构赋予其优异的稳定性和机械弯曲柔性，更适于实际应用。
图1：a 局部扭转形变的螺旋型WS2纳米条带，b 基于有限元分析的螺旋型WS2纳米条带表面应力分布，c WS2纳米条带高分辨电镜图显示的莫尔超晶格，d 莫尔超晶格原子结构示意图
研究工作实现了对柔性超薄二维材料大幅度电化学性能的调控，不仅提出了一种新颖、可靠的制备低成本高效柔性析氢催化剂的方法，同时展示二维摩尔超晶格独特新颖可调控的物理性质，有助于理解莫尔超晶格结构在电催化过程中的作用。该工作可以拓展到其它二维材料体系，为莫尔超晶格结构的功能应用提供了新的思路。这一工作预示二维莫尔超晶格在电子学、光电子学和能源转换等方面具有广阔应用前景。通过莫尔超晶格的引入，二维材料将被赋予更大的发展机遇和联想空间，将在新性质探索、新模型建立方面具有更多可能性。
这一研究工作得到了国家杰出青年科学基金、国家自然科学基金面上项目和江苏省自然科学基金面上项目等的资助。
（撰稿：王龙禄 编辑：徐伟 审核：李卫）