论文亮点
引入超快光热退火技术，在环境空气中合成各种亚稳态纳米材料，温度可达1768-3162 K，时间仅10毫秒。
合成的复合材料（如核心@壳异质结构）在气体传感和氢生产中表现出显著增强的催化性能。
研究背景
过渡金属二硫属化物（TMDs）因其高表面体积比、边缘催化活性和可调的电化学性质而具有潜力，但实现环境条件下的超快合成和精确相控仍具挑战。
传统异质结构构建方法需要高温高压、特定气体环境和惰性气氛保护，过程缓慢且能源效率低，限制了TMDs的应用。
超快热处理技术（如闪光热冲击）为创建非平衡条件提供了新途径，但如何在复杂纳米材料中实现精确结构和相控尚未解决。
研究方法
本研究采用闪光热冲击（FTS）方法，利用石墨烯氧化物（GO）的高光热效率进行超快合成：
- 制备含有精确量过渡金属前体（如ATTM或ATTT）的GO水溶液，利用其亲水性和负电荷实现均匀分散。
- 将溶液滴铸在玻璃基板上，在353.15 K下干燥。
- 使用 intense pulsed light (IPL) 系统进行照射，诱导闪光热冲击。IPL系统包含氙灯、电容器和IR传感器，波长范围300-1000 nm。
- 通过调整GO比例控制光热温度（1768-3162 K），反应时间固定为≈10 ms，加热速率达≈7.50×10^6 K/s，冷却速率≈10^5 K/s。
- 利用IR传感器测量温度，并根据GO的发射率进行校正。
- 合成相控TMDs（如1T-MoS2、2H-MoS2）、亚稳态TMCs（如α-MoC、W2C）以及核心@壳异质结构（如α-MoC@MoS2、W2C@C）。
- 引入种子材料（单金属、金属氧化物、高熵合金）形成核心(种子)@壳(TMD)异质结构。
- 通过XRD、XPS、TEM、Raman等进行材料表征，并评估气体传感和电催化性能。
主要结论
开发了基于GO辅助的闪光热冲击方法，成功在环境空气中合成了相控TMDs、亚稳态TMCs和多种核心@壳异质结构，实现了毫秒级超快合成。
合成的α-MoC@MoS2/rGO复合材料在室温NO2气体传感中表现出8.7倍的性能增强，具有高灵敏度和选择性。
W2CO/rGO在氢演化反应（HER）中显示出低过电位（50.5 mV）和快速 kinetics，具有良好的耐久性，优于许多报道的碳化钨催化剂。
图1: TMDs和TMCs异质结构工程示意图
图1: (a) IPL制备TMDs和TMCs的示意图；(b) 相控TMD包含2H和亚稳态1T相；(c) TMD或石墨碳的封装，核心材料包括TMC、单金属、金属氧化物和高熵合金；(d) 通过GO碳热反应形成过渡金属碳化物。
分析结果: 图1展示了FTS方法的整体概念和合成路径。a部分显示了IPL照射诱导的光热效应，温度在10 ms内可达3162 K，适用于亚稳态纳米材料合成。b和c部分显示了通过控制温度可以实现相变和封装，形成各种异质结构。d部分显示了碳热反应生成TMCs的过程。该方法的关键优势在于超快加热/冷却速率，允许在环境空气中合成传统方法难以实现的材料。
图2: TMDs和TMCs的温度曲线和表征
图2: (a) ATTM包含GO的温度曲线（照射能量10 J cm⁻²）；(b,c) Mo基材料的XRD图案和TEM图像；(d) ATTT包含GO的温度曲线（照射能量25 J cm⁻²）；(e,f) W基材料的XRD图案和TEM图像；(g) FTS与其他方法的合成时间和温度比较。
分析结果: 图2显示了温度控制对材料合成的影响。a和d部分表明，通过调整GO比例，光热温度可从1768 K到3162 K可控，从而选择性合成TMDs或TMCs。b和e部分的XRD数据证实了MoS2、α-MoC、WS2、W2C和W2CO的形成。c和f部分的TEM图像显示了均匀分布的纳米颗粒和核心@壳结构。g部分比较显示，FTS方法在10 ms内达到3000 K以上，比其他方法（如常规退火或焦耳加热）更快速和能源高效，便于亚稳态材料合成。
图3: FTS合成的核心@TMDs异质结构纳米颗粒
图3: (a) 在rGO上合成核心@TMD壳异质结构NPs的示意图；(b-e) Au@MoS2、In2O3@MoS2、PtPdIrRuAu@MoS2和PtPdIrRuAuCoSnNiFeCu@MoS2的HRTEM、STEM和EDS映射图像。
分析结果: 图3展示了FTS方法在合成核心@壳异质结构方面的 versatility。a部分显示了合成过程，其中种子材料（如单金属、金属氧化物或高熵合金）加入GO前体溶液中，经IPL照射后形成封装结构。b-e部分的TEM和EDS映射图像清晰显示了核心材料（如Au、In2O3、高熵合金）被TMD壳（如MoS2）均匀封装，证实了异质结构的成功形成。这得益于FTS的超快动力学，克服了热力学限制，允许在高界面形成能位点进行非平衡封装。
图4: rGO上TMDs和TMCs的气体传感性能
图4: (a) 室温操作气体传感器的示意图；(b) α-MoC@MoS2/rGO在不同湿度下的NO2传感性能；(c) 55%和80% RH下的动态响应；(d) 各种材料的动态气体传感性能；(e) 对5 ppm NO2的循环性能；(f) 选择性传感结果；(g) NO2传感机制示意图；(h) α-MoC@MoS2/rGO的TEM图像显示晶格应变；(i) NO2暴露后的N 1s XPS光谱。
分析结果: 图4评估了合成材料在气体传感中的应用。b和c部分显示，α-MoC@MoS2/rGO在80% RH下对5 ppm NO2的响应比原始rGO提高31.2倍，且恢复特性良好。d部分比较了不同复合材料，显示异质结构具有最佳性能。e部分证实了循环稳定性。f部分显示了高选择性 towards NO2。g部分的机制示意图表明，异质结构促进了电子转移和表面反应。h部分的晶格应变（≈3.28%）增加了活性位点，增强了传感性能。i部分的XPS显示NO2暴露后形成Mo-N键，证实了表面反应。
图5: rGO上TMDs和TMCs的氢演化反应活性
图5: (a,b) rGO、W2CO/rGO、W2CO_W2C_WS2/rGO、W2C_WS2/rGO和商业Pt/C催化剂的极化曲线和Tafel图；(c) 在-0.20 V vs RHE下的EIS响应Nyquist图；(d) W2CO/rGO在10000次CV循环后的极化曲线；(e) 与文献报道的碳化钨的HER过电位比较。
分析结果: 图5展示了材料在电催化HER中的性能。a部分的极化曲线显示，W2CO/rGO具有最低过电位（50.5 mV at 10 mA cm⁻²），接近Pt/C。b部分的Tafel斜率（65.7 mV dec⁻¹）表明Volmer-Heyrovsky机制，氢吸附为速率决定步骤。c部分的EIS显示W2CO/rGO具有最低电荷转移电阻（9.7 Ω），表明快速电子转移。d部分证实了良好的耐久性，10000次CV循环后性能无显著下降。e部分比较显示，FTS方法在极短过程时间（10 ms）内合成的材料性能优于许多文献报道的碳化钨，突出了FTS的高效性。