1. 引言

MoS2，隶属于六方晶系，有1T，2H和3R三种晶体结构。如图1所示，1T-MoS2结构的八面体配位，具有金属性，属于亚稳态结构；2H-MoS2晶型中含有两个Mo-S单位，属于稳定态结构；3R- MoS2晶型比2H-MoS2晶型多一个Mo-S单位，即含有三个Mo-S单位，属于亚稳态结构。其中，1T相和3R相两种亚稳态在高温下可以转化为稳定的2H形态[1]。

在层状结构中，MoS2每层的厚度为6-7 Å，并且形成由两层硫原子层夹着一层金属原子的六方填充层的“三明治”夹心结构。从本质上来说，层内Mo-S键主要是共价键，而夹层则由弱的范德华力支撑，这样就使得晶体表面层容易发生剥离。MoS2拥有具有低的摩擦系数和润滑性能，在传统应用中更是被誉为“润滑剂之王”。

此外，当块状MoS2转变为二维结构（2D MoS2）时，其本征的带隙结构、电荷迁移率、近红外吸收、磁性、机械强度、热学、电学性质等将会发生显著变化，促使其在催化、传感器、晶体管、纳米电子器件、医药治疗、电化学储能等各个领域均展现出巨大的潜在应用前景。

图1 MoS2的三种晶体结构

2. 催化领域

作为典型的过渡金属二卤化物，MoS2也可划分为半导体（SEMI）相和金属（MET）相，根据Mo原子的配位和氧化态形式，其物理/化学性质与相结构密切相关。2H-MoS2为半导体相，其带隙随层数的变化在1.2-1.9 eV范围内变化，层数较少的2H-MoS2具有明显的光学特性。另一个半导体相3R-MoS2，具有与2H相似的物理和化学性质，并且每个性质的定量值仅出现微小差异。1T-MoS2及其衍生物具有更好的导电性，并且由于其MET或半导体MET性质而不显示任何光学特性。因此，2D MoS2的不同相结构结合其较大的比表面积优势，常被作为催化剂或者载体应用于传统多相热催化、光催化、电催化等领域。

2D MoS2在电化学催化析氢（HER）应用中，通常认为其活性中心源自于材料表面边缘的非饱和原子，基面中的饱和原子并不提供活性位点，这无疑会丢失二维材料高比表面积的优势。因此，如何调控激发其基面的大量原子参与催化反应是提高整体催化活性的关键。

近日，苏州大学李彦光、天津理工大学罗俊、湖南大学刘松以及华东理工大学戴升等人首次制备了基面上含有弗仑克尔缺陷的FD-MoS2（图2），并基于球差电镜对其原子构型进行了解析和确认[2]。此外，作者进一步利用微纳电化学装置对具有不同原子缺陷结构的单层MoS2基面的电催化析氢性能进行了测试，结果表明一定浓度的弗仑克尔缺陷甚至比Pt单原子掺杂在MoS2基面上的析氢催化性能更加优异（图3）。本文为研究不同种类原子缺陷结构对催化活性的影响提供了新思路和研究对象。

图 2 MoS2基催化剂的制备与结构表征

图3 MoS2基催化剂的HER性能测试

3. 气体传感器

2D MoS2的高表面/体积比、可调谐的表面化学和特殊的电子性能，使得其在化学气体传感器中应用时可具备十分优异的灵敏度。然而，基于MoS2所开发的传感器的检测阈值往往只能达到ppm级别，例如NO2的检测限为1 ppm，CS2为1 ppm，萘为0.1 ppm。为了进一步降低检测阈值，一系列诸如光子激发、表面声波处理等技术被开发用于构建异质结或者新型材料，但是这些技术仍不能满足大规模制造。

为此，美国空军实验室的Nicholas R. Glavin等人基于溶液处理后的二维纳米材料，利用实时阻抗谱技术制备出了超敏感的分子传感器（图4），可以有效降低制造成本[3]。在该研究中，分子传感器主要由剥离后的MoS2纳米片、实时阻抗谱和三元素电路组成，其对NO2气体具有1 ppb的超灵敏检测极限，外推的最终检测极限接近63 ppt（图5）。

此外，基于该方法在聚酰亚胺衬底上进行全溶液环境处理石墨烯和MoS2纳米片时，所构建的2D柔性器件同样具有高灵敏度。最后，作者进一步采用热退火策略探索了纳米薄片相互作用的可调性，结果表明200℃热退火后的性能最佳，灵敏度可以提高2倍。

图4纳米片实时阻抗检测传感器模型

图5 NO2气体实时检测

4. 场效应晶体管

高效掺杂可调制2D过渡金属二卤代物（TMDC）半导体的电性能，这对于满足未来电子和光电子器件的多功能要求至关重要。然而对TMDC的掺杂通常涉及到一些可产生阻碍电荷传输的带电掺杂剂，这部分掺杂剂所引发的库伦散射对于实现2D半导体的超高迁移率仍是一个关键挑战。

为此，韩国首尔大学的Takhee Lee、Keehoon Kang和韩国科学技术研究院Kyungjune Cho等人通过在MoS2和溶液沉积的n型掺杂剂（芐基紫精）之间插入一层六角氮化硼层（h-BN）实现了远程电荷转移掺杂（图6）[4]。作者进一步对远端掺杂器件中依赖温度的电荷传输进行定量分析，结果表明远程电荷转移掺杂与传统直接掺杂方法相比，可以有效抑制掺杂诱导散射（图7）。

图6 远程电荷掺杂所构建的h-BN/MoS2异质结

图7 温度-电荷迁移测试

5. 光伏器件

范德华异质结构（vdWHs）如GaSe/MoSe2、MoTe2/MoS2、MoS2/WS2和WS2/BP等，能够克服传统异质结构的晶格和加工限制，为开发高性能2D vdWH太阳能电池和光电二极管提供了方向。然而，2D vdWH光伏器件的光吸收效率低，且其异质界面中存在电子/空穴陷阱，整体器件的灵敏度和响应速度仍有待提升。量子点（QD）作为一种强光吸收剂，在增强2D光导光电探测器的增益上得到了应用，但是这种具有增强光响应的方案尚未被用于提高2D vdWH光学器件的性能。

为此，杭州电子科技大学的Zhangting Wu、Yang Zhang和东南大学的倪振华等人设计了一种PbS/MoS2/WSe2异质结光电二极管，其中光敏PbS QD层与MoS2/WSe2结合后显著提高了光伏响应性能（图8）[5]。通过PbS QD诱导光生电子的有效聚集，异质结中的电子电流得到了大幅度增强，因此该器件具有405 ~ 1064 nm的宽带光伏响应，最大响应率为0.76 a/W，比探测率为5.15 × 1011 Jones。此外，该方法的响应速度不受PbS量子点/二维材料异质界面中多个电子阱的限制，上升/衰减时间仅分别为43/48 μs，-3 dB的截止频率超过10 kHz（图9）。

图8 PbS/MoS2/WSe2异质结的表征与电荷转移

图9 光伏升/衰时间和频率响应

6. 医药治疗

骨关节炎是一种以软骨退变为特征的慢性炎症性疾病，常规临床治疗主要采用非甾体抗炎药（NSAIDs）来抑制选择性环加氧酶-2（COX-2）的活性，从而达到抗炎和镇痛作用，但由于用药率低、停留时间短、用药量大、且有一定的毒副作用（特别是对胃肠道），非甾体抗炎药的治疗效果有限。

基于此，利用关节内润滑以减少关节磨损的治疗方法得以开发，该方法可有效缓解关节炎症，但目前商用润滑剂如透明质酸在人体内的润滑性和稳定性都有所欠缺。MoS2作为一种典型的层状化合物，具有低摩擦系数和良好的润滑效果，但是在生理环境中，MoS2会被氧化成水溶性物质（如MoO42-），分层结构发生坍塌，纳米片进而会被人体移除。因此，如何解决MoS2在生理环境中的稳定性是实现MoS2在人体内长期工作的关键点。

为此，北京大学口腔医学院的王宇光、清华大学的张洪玉、山东大学的Weiwei Zhao等人受“滑雪板”的滑动机制启发，采用仿生磷脂聚合物（(dopamine methacrylamide-co-2-methacryloyloxyethyl phosphorylcholine）（PDMPC）修饰MoS2，并负载消炎药双氯芬酸钠（DS），合成了MoS2-PDMPC-DS（图10）[6]。其中，二硫化钼具有二维层状结构和光热性能，可作为固体润滑剂和药物载体，同时PDMPC可有效避免MoS2在生理环境下的氧化变性，进而形成固液复合润滑，提高了MoS2在关节腔内的润滑性和稳定性。体内外实验表明，MoS2-PDMPC-DS可在关节腔内停留一周以上，发挥持久的润滑和抗炎作用，有效治疗骨关节炎（图11）。

图10 MoS2供药系统示意图

图11 MoS2-PDMPC-DS在大鼠关节腔内的光热转化及保留特性

7. 电化学储能

类石墨结构的MoS2拥有较大的表面/体积比和明确的层状结构，可以提供高活性位点和离子扩散通道，被视为一种潜在的钠离子电池负极候选材料。理论研究表明，含有扭曲八面体配位结构的1T相MoS2的导电性是半导体2H相的107倍以上，且Na+在1T相中的扩散势垒更低。然而，在充放电过程中亚稳态1T相易向稳态2H相转变，导致其在大电流密度下的容量和循环稳定性较差。

为此，山东大学的于浩海、赵明文和廉刚等人利用电子注入工程和原子界面工程的协同效应制备了含缺陷的富1T相MoS2纳米花（1T-rich MoS2/m-C）（图12），其中高导电性1T相MoS2和碳单分子层交替插入，扩大的层间距保障了电解质的快速扩散并降低了离子扩散势垒。

电化学性能测试结果表明，所制备的1T-rich MoS2/m-C纳米花在0.1 A g-1下循环80圈容量保持在557 mAh g-1，2 A g-1下循环1000圈后容量保持在364 mAh g-1，且其在10 A g-1的大电流密度下容量为411 mAh g-1。此外，由1T-rich MoS2/m-C负极和Na3V2(PO4)3/C正极组成的钠离子全电池在0.5 A g-1下可稳定循环400圈（图13）。

图12 1T-rich MoS2/m-C的制备示意图

图13 1T-rich MoS2/m-C的电化学性能

参考文献

[1] Agnieszka Kuc and Thomas Heine, The electronic structure calculations of two-dimensional transition-metal dichalcogenides in the presence of external electric and magnetic fields. Chemical Society Reviews, 2015, 44, 2603-2614.

[2] Jie Xu, et al. Frenkel-defected monolayer MoS2 catalysts for efficient hydrogen evolution. Nature Communications, 2022, 13, 2193.

[3] David C. Moore，et al. Ultrasensitive Molecular Sensors Based on Real-Time Impedance Spectroscopy in Solution-Processed 2D Materials. Advanced Functional Materials, 2022, 32, 2106830.

[4] Juntae Jang, et al. Reduced dopant-induced scattering in remote charge-transfer-doped MoS2 field-effect transistors. Science Advance, 2022, 8, eabn3181.

[5] Peiyu Zeng, et al. MoS2/WSe2 vdW Heterostructures Decorated with PbS Quantum Dots for the Development of High-Performance Photovoltaic and Broadband Photodiodes. ACS Nano 2022, 16, 9329−9338.

[6] Wenjie Qiu，et al. A Solid–Liquid Composite Lubricating “Nano-Snowboard” for Long-Acting Treatment of Osteoarthritis. Advanced Functional Materials, 2022, 2208189.

[7] Junwei Sun, et al. Electron-Injection and Atomic-Interface Engineering toward Stabilized Defected 1TRich MoS2 as High Rate Anode for Sodium Storage. ACS Nano 2022, 16, 12425−12436.