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  • 我所實現二維金屬碲化物材料宏量制備

    近日,我所催化基礎國家重點實驗室二維材料化學與能源應用研究組(508組)吳忠帥研究員團隊,與中國科學院深圳先進技術研究院、中國科學院金屬研究所成會明院士團隊,以及北京大學康寧副教授團隊合作,在二維過渡金屬碲化物材料的宏量制備方面取得重要進展,為金屬碲化物二維材料的物性研究與能源應用等提供了可能性。

    二維過渡金屬碲化物(TMT)是一類新興的二維材料,是國際公認的基礎性、前瞻性和戰略性材料體系。TMT材料如WTe2MoTe2,屬于經典的量子材料,可以用于研究多種新穎物理性質。例如,WTe2具有極大的磁阻和拓撲非平凡相,MoTe2具有鐵電和超導特性等。

    目前,“自上而下”的方法通常被用來大規模生產納米片,但該方法制備TMT納米片存在插層反應能壘高、插層反應低效、剝離效率低、安全性差等問題。例如,球磨和液相剝離制備的納米片具有亞微米橫向尺寸和較差的可重復性,總體質量不高導致其應用受限。電化學插層剝離需要制備的電極為大塊單晶或者將層狀材料刮涂在導電襯底上,難以實現大規模制備?;瘜W插層剝離涉及到有機鋰作為插層試劑,但有機鋰具有易燃易爆的性質并且需要在負壓或者手套箱中操作,這對實驗設備要求非常高并且不安全。因此,安全、可重復和可擴展的合成技術是將TMT納米片從實驗室推廣到實際應用的技術瓶頸。

    本工作中,吳忠帥團隊提出了一種固相化學插層剝離新方法,通過高溫固相反應降低插層反應的活化能,創新性地篩選出了一種固相插層試劑——硼氫化鋰,硼氫化鋰具有強還原性質,在干燥空氣中穩定,可用于實現高溫固相插鋰反應,克服了插層反應速度慢的問題,從而實現安全、高效、快速的插層剝離。整個插層剝離過程只需短短10分鐘,可宏量制備出百克級(108克)的碲化鈮納米片,與此前研究制備量均小于1克比,提升了兩個數量級。重要的是,該方法具有普適性,此方法成功制備出了五種不同過渡金屬的碲化物納米片(MoTe2、WTe2、NbTe2、TaTe2TiTe2)和十二種合金化合物納米片,豐富了二維材料體系庫,實現了材料功能化、定制化制備。此外,團隊還觀察到多種有趣量子現象,例如MoTe2納米片具有依賴于厚度的金屬-絕緣體相變,WTe2納米片具有巨磁電阻和舒勃尼科夫-德哈斯效應等。

    該工作制備出來的系列二維碲化物和合金化合物納米片有望為能源化學、材料科學、凝聚態物理等的研究提供新的平臺材料體系。值得注意的是,二維過渡金屬碲化物納米片具有良好的加工性能,可進一步加工成溶液、薄膜、絲網印刷墨水、3D打印器件、光刻的微型超級電容器等,研究團隊進一步驗證了該類二維材料在高性能量子器件、微型超級電容器、先進電池、能源催化、電磁屏蔽、復合材料等領域重要應用潛力。

    相關成果以“Metal Telluride Nanosheets by Scalable Solid Lithiation and Exfoliation”為題,于43日以長文(Research Article)的形式發表在《自然》(Nature)上。同期《自然》還以“Scalable,?high-quality 2D telluride nanosheets for energy and catalysis applications”為題,在研究簡報(Nature Brief)專欄中報道了該研究成果。

    該工作的共同第一作者是我所博士后(已出站)張良柱和北京大學研究生楊子萱。該成果球差電鏡表征部分工作得到了我所五室李名潤研究員的支持。上述工作得到國家自然科學基金、國家自然科學基金委“六元環無機材料”基礎科學中心項目、國家重點研發計劃、國家博士后國際交流引進計劃、中國博士后科學基金、上海市浦江人才計劃等項目的資助。(文/圖 張良柱、侯曉城)

    文章鏈接:https://www.nature.com/articles/s41586-024-07209-2

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