近日，中國(guó)科學(xué)院大連化學(xué)物理研究所研究員吳忠?guī)泩F(tuán)隊(duì)，聯(lián)合中國(guó)科學(xué)院院士、深圳先進(jìn)技術(shù)研究院、金屬研究所研究員成會(huì)明，北京大學(xué)電子學(xué)院副教授康寧，在二維過(guò)渡金屬碲化物材料的宏量制備方面取得進(jìn)展，為過(guò)渡金屬碲化物二維材料的規(guī)?；苽涮峁┝丝赡苄浴?月3日，相關(guān)研究成果在線(xiàn)發(fā)表在《自然》（Nature）上。審稿人評(píng)價(jià)這一方法簡(jiǎn)單、快速、高效，對(duì)二維材料的宏量制備具有普適意義。

二維過(guò)渡金屬碲化物材料是一類(lèi)新興的二維材料，由碲原子和過(guò)渡金屬原子（如鉬、鎢、鈮等）組成。它的微觀結(jié)構(gòu)類(lèi)似于“三明治”，即過(guò)渡金屬原子被上下兩層的碲原子“夾”住，形成層狀二維材料。二維過(guò)渡金屬碲化物材料因奇特的超導(dǎo)、磁性、催化活性等物理性質(zhì)和化學(xué)性質(zhì)，在量子通訊、催化、儲(chǔ)能、光學(xué)等領(lǐng)域展現(xiàn)出應(yīng)用潛力。例如，過(guò)渡金屬碲化物具有高導(dǎo)電性和大比表面積，可作為高性能超級(jí)電容器和電池的電極材料；過(guò)渡金屬碲化物納米片表面具有豐富可調(diào)的活性位點(diǎn)，可用做制備綠氫和雙氧水的電催化劑，以提高催化劑的選擇性、效率和性能；這一材料展現(xiàn)出特有的量子現(xiàn)象如超導(dǎo)和巨磁電阻等，可作為下一代低功耗器件和高密度磁性存儲(chǔ)器件的材料。目前，該材料無(wú)法實(shí)現(xiàn)高質(zhì)量的宏量制備，故實(shí)際應(yīng)用受阻。

二維過(guò)渡金屬碲化物材料一般采用“自上而下”的制備方法，如同拆解積木，通過(guò)機(jī)械力或化學(xué)作用方式將其一層一層剝離下來(lái)，從而制備出單層的二維納米片。常用的“自上而下”方法有化學(xué)插層剝離法、球磨法、膠帶剝離法、液相超聲法等。其中，化學(xué)插層剝離法的剝離效率雖然最高但剝離需要數(shù)小時(shí)?？茖W(xué)家多采用有機(jī)鋰試劑作為插層劑，將含有鋰離子的插層劑插入塊體層狀結(jié)構(gòu)材料的片層中，并利用鋰和水的反應(yīng)使插層劑“膨脹”，在每一層間形成一個(gè)“氣壓柱”，將疊在一起的納米片層層“撐開(kāi)”，猶如使用一把“化學(xué)刮刀”一層一層地將納米片“刮”下來(lái)。這種層間的氣體膨脹作用力大于機(jī)械剝離力，可以提高剝離效率。然而，有機(jī)鋰是易燃易爆的液體試劑，存在安全隱患。因此，實(shí)現(xiàn)安全、高效的化學(xué)剝離成為研究目標(biāo)。

吳忠?guī)泩F(tuán)隊(duì)創(chuàng)新性地采用固相化學(xué)插層剝離方法，篩選出固相插層試劑——硼氫化鋰。硼氫化鋰具有強(qiáng)還原性質(zhì)，在干燥空氣中穩(wěn)定，可用于高溫固相插鋰反應(yīng)，并解決了插層反應(yīng)速度慢的問(wèn)題，實(shí)現(xiàn)了安全、高效、快速的插層剝離。整個(gè)插層剝離過(guò)程只需10分鐘，可宏量制備出百克級(jí)（108克）碲化鈮納米片。與液相化學(xué)插層剝離法制備量均小于1克相比，這一方法的產(chǎn)量提升了兩個(gè)數(shù)量級(jí)。

進(jìn)一步，該團(tuán)隊(duì)利用上述方法制備出五種不同過(guò)渡金屬的碲化物納米片和十二種合金化合物納米片，證明了這一方法具有普適性。此外，科研人員觀察到多種特征的量子輸運(yùn)現(xiàn)象。例如，碲化鉬納米片具有依賴(lài)于厚度的金屬-絕緣體相變，碲化鎢納米片具有巨磁電阻和舒勃尼科夫-德哈斯效應(yīng)等。

該方法發(fā)展出的二維過(guò)渡金屬碲化物納米片所制備的溶液和粉體，具有良好的加工性能，能夠作為各種功能性漿料，可以實(shí)現(xiàn)薄膜、絲網(wǎng)印刷器件、3D打印器件、光刻器件的高效和定制化加工等，并有望在高性能量子器件、柔性電子、微型超級(jí)電容器、電池、催化、電磁屏蔽、復(fù)合材料等方面發(fā)揮作用。

科學(xué)家實(shí)現(xiàn)二維金屬碲化物材料的宏量制備

宏量化可控制備二維過(guò)渡金屬碲化物納米片

科研人員通過(guò)光學(xué)顯微鏡觀察制備的過(guò)渡金屬碲化物納米片

固相鋰化過(guò)程

自發(fā)水解剝離過(guò)程