中國粉體網訊 4月3日，國際著名頂級學術刊物《自然》（Nature）在線發表了題為“規模化固相鋰化和剝離制備金屬碲化物納米片”的研究論文，報道了二維材料宏量制備研究的最新突破。該成果由華東理工大學材料科學與工程學院特聘副研究員張良柱博士、大連化物所吳忠帥研究員、中國科學院深圳先進技術研究院和深圳理工大學（籌）成會明院士、北京大學電子學院康寧副教授共同合作完成。
研究團隊在國際上首次實現碲化鈮納米片的宏量（108g）制備，為二維過渡金屬碲化物納米片的規模化制備提供了可能性。《自然》雜志審稿人評價該方法“簡單、快速、高效，對二維材料的宏量制備具有普適意義。”
圖1 碲化鈮納米片（圖源：中國科學院）
二維過渡金屬碲化物材料是一類新興的二維材料，由碲原子和過渡金屬原子（如鉬、鎢、鈮等）組成。它的微觀結構類似于“三明治”，即過渡金屬原子被上下兩層的碲原子“夾”住，形成層狀二維材料。二維過渡金屬碲化物材料因奇特的超導、磁性、催化活性等物理性質和化學性質，在量子通訊、催化、儲能、光學等領域展現出應用潛力。例如，過渡金屬碲化物具有高導電性和大比表面積，可作為高性能超級電容器和電池的電極材料；過渡金屬碲化物納米片表面具有豐富可調的活性位點，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；這一材料展現出特有的量子現象如超導和巨磁電阻等，可作為下一代低功耗器件和高密度磁性存儲器件的材料。目前，該材料無法實現高質量的宏量制備，故實際應用受阻。
二維過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，通過機械力或化學作用方式將其一層一層剝離下來，從而制備出單層的二維納米片。常用的“自上而下”方法有化學插層剝離法、球磨法、膠帶剝離法、液相超聲法等。其中，化學插層剝離法的剝離效率雖然最高但剝離需要數小時。科學家多采用有機鋰試劑作為插層劑，將含有鋰離子的插層劑插入塊體層狀結構材料的片層中，并利用鋰和水的反應使插層劑“膨脹”，在每一層間形成一個“氣壓柱”，將疊在一起的納米片層層“撐開”，猶如使用一把“化學刮刀”一層一層地將納米片“刮”下來。這種層間的氣體膨脹作用力大于機械剝離力，可以提高剝離效率。然而，有機鋰是易燃易爆的液體試劑，存在安全隱患。因此，實現安全、高效的化學剝離成為研究目標。
為解決上述困難，研究團隊創新性地采用固相化學插層剝離方法，篩選出固相插層試劑——硼氫化鋰。硼氫化鋰具有強還原性質，在干燥空氣中穩定，可用于高溫固相插鋰反應，并解決了插層反應速度慢的問題，實現了安全、高效、快速的插層剝離。整個插層剝離過程只需10分鐘，可宏量制備出百克級（108克）碲化鈮納米片。與液相化學插層剝離法制備量均小于1克相比，這一方法的產量提升了兩個數量級。
圖2 二維過渡金屬碲化物納米片的制備(圖源：華東理工大學)
進一步，該團隊利用上述方法制備出五種不同過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現象。例如，碲化鉬納米片具有依賴于厚度的金屬-絕緣體相變，碲化鎢納米片具有巨磁電阻和舒勃尼科夫-德哈斯效應等。
圖3 二維過渡金屬碲化物納米片（圖源：中國科學院）
該方法發展出的二維過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，可以實現薄膜、絲網印刷器件、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、微型超級電容器、電池、催化、電磁屏蔽、復合材料等方面發揮作用。
參考來源：中國科學院、華東理工大學材料科學與工程學院
（中國粉體網編輯整理/梧桐）
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