我国科学家实现二维金属碲化物材料宏量制备
人民网北京4月7日电 (记者赵竹青)记者从中国科学院获悉,近日,中国科学院大连化学物理研究所吴忠帅研究员团队,与中国科学院深圳先进技术研究院、中国科学院金属研究所和深圳理工大学(筹)成会明院士,北京大学电子学院康宁副教授合作,在二维过渡金属碲化物材料的宏量制备方向取得新进展,为过渡金属碲化物二维材料的规模化制备提供了可能性。相关成果于4月3日在线发表在《自然》杂志上,审稿人评价该方法简单、快速、高效,对二维材料的宏量制备具有普适意义。
二维过渡金属碲化物材料是一类新兴的二维材料,由碲原子(Te)和过渡金属原子(如钼、钨、铌等)组成,其微观结构类似于"三明治",过渡金属原子被上下两层的碲原子"夹"住,形成层状二维材料。二维过渡金属碲化物材料因其奇特的超导、磁性、催化活性等物理和化学性质,在量子通讯、催化、储能、光学等领域展现出重要应用潜力,受到了国际学术界的广泛关注。例如,过渡金属碲化物具有高导电性和大比表面积,可作为高性能超级电容器和电池的电极材料;过渡金属碲化物纳米片表面具有丰富可调的活性位点,可用做制备绿氢和双氧水的电催化剂,提高催化剂的选择性、效率和性能;该材料还展现出特有的量子现象,如超导和巨磁电阻等,可作为下一代低功耗器件和高密度磁性存储器件的材料。然而,目前该材料还无法实现高质量的宏量制备,阻碍了其实际应用。
二维过渡金属碲化物材料一般采用"自上而下"的制备方法,如同拆解积木,通过机械力或化学作用方式将其一层一层剥离下来,从而制备出单层的二维纳米片。常用的"自上而下"方法有化学插层剥离法、球磨法、胶带剥离法、液相超声法等,其中化学插层剥离法的剥离效率虽然最高,但剥离仍需要数小时。科学家们大多采用有机锂试剂作为插层剂,即将含有锂离子的插层剂插入块体层状结构材料的片层中,并利用锂和水的反应使插层剂"膨胀",在每一层间形成一个"气压柱",将叠在一起的纳米片层层"撑开",就如同使用了一把"化学刮刀"一层一层地将纳米片"刮"下来,这种层间的气体膨胀作用力远大于机械剥离力,可以提高剥离效率。但有机锂是一种易燃易爆的液体试剂,具有很大的安全隐患,因此,实现安全、高效的化学剥离成为科学家努力的目标。
吴忠帅团队创新性地采用固相化学插层剥离方法,筛选出了一种固相插层试剂——硼氢化锂。硼氢化锂具有强还原性质,在干燥空气中稳定,可用于高温固相插锂反应,解决了插层反应速度慢的问题,从而实现了安全、高效、快速的插层剥离。整个插层剥离过程只需10分钟,可宏量制备出百克级(108克)碲化铌纳米片,与液相化学插层剥离法制备量均小于1克比,此方法的产量提升了两个数量级。
团队还利用此方法制备出了五种不同过渡金属的碲化物纳米片和十二种合金化合物纳米片,证明其具有普适性。他们还观察到了多种特征的量子输运现象,例如碲化钼(MoTe2)纳米片具有依赖于厚度的金属-绝缘体相变,碲化钨(WTe2)纳米片具有巨磁电阻和舒勃尼科夫-德哈斯效应等。
利用该方法制备出的二维过渡金属碲化物纳米片制备的溶液和粉体具有良好的加工性能,可以作为各种功能性浆料,实现薄膜、丝网印刷器件、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、柔性电子、微型超级电容器、电池、催化、电磁屏蔽、复合材料等方向发挥重要作用。
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