我國科學(xué)家實現(xiàn)二維金屬碲化物材料的批量制備

科技日報2024年4月3日報道，當月3日《自然》在線發(fā)表了一項關(guān)于二維金屬碲化物材料的重要進展。來自中國科學(xué)院大連化學(xué)物理研究所、中國科學(xué)院深圳先進技術(shù)研究院和北京大學(xué)的科研人員，在二維過渡金屬碲化物材料的批量制備方向取得新進展，為二維過渡金屬碲化物材料的規(guī)模化制備提供了可能。

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（Te）和過渡金屬原子（如鉬、鎢、鈮等）組成，其微觀結(jié)構(gòu)類似于“三明治”，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。因具有奇特的超導(dǎo)、磁性、催化活性等物理和化學(xué)性質(zhì)，二維過渡金屬碲化物材料在量子通信、催化、儲能、光學(xué)等領(lǐng)域展現(xiàn)出重要應(yīng)用潛力，受到了國際學(xué)術(shù)界的廣泛關(guān)注。

“比如，二維過渡金屬碲化物具有高導(dǎo)電性和大比表面積，可作為高性能超級電容器和電池的電極材料；同時二維過渡金屬碲化物納米片表面具有豐富可調(diào)的活性位點，可用作制備綠氫和雙氧水的電催化劑，提高催化劑的選擇性、效率和性能；此外，該材料還展現(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器件的材料。”論文共同通訊作者、中國科學(xué)院大連化物所研究員吳忠?guī)浗忉尅?/p>

然而，目前該材料還無法實現(xiàn)高質(zhì)量的批量制備，阻礙了其實際應(yīng)用。

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(xué)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(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，但剝離仍需要數(shù)小時。

科學(xué)家們大多采用有機鋰試劑作為插層劑，即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“氣壓柱”，將疊在一起的納米片層層“撐開”，就如同使用了一把“化學(xué)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遠大于機械剝離力，可以提高剝離效率。

“但是，有機鋰是一種易燃易爆的液體試劑，具有很大的安全隱患。因此，實現(xiàn)安全、高效的化學(xué)剝離成為科學(xué)家努力的目標。”吳忠?guī)浾f。

此次，科研人員創(chuàng)新性地采用固相化學(xué)插層剝離方法，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(zhì)，在干燥空氣中穩(wěn)定，可用于高溫固相插鋰反應(yīng)，解決了插層反應(yīng)速度慢的問題，從而實現(xiàn)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，可批量制備出百克級（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，此方法的產(chǎn)量提升了兩個數(shù)量級。

值得關(guān)注的是，科研人員還利用此方法制備出了五種不同過渡金屬的二維過渡金屬碲化物納米片和十二種合金化合物納米片，證明這種方法具有普適性。

“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。”《自然》審稿人對該方法給予了高度評價。

吳忠?guī)洷硎荆迷摲椒ㄖ苽涑龅亩S過渡金屬碲化物納米片的溶液和粉體具有良好的加工性能，可以作為各種功能性漿料，實現(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，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(fù)合材料等方向發(fā)揮重要作用。

（來源：科技日報）