二维过渡金属碲化物纳米片首次实现宏量制备

中化新网讯  4月3日，国际著名顶级学术刊物《自然》（Nature）在线发表了题为“规模化固相锂化和剥离制备金属碲化物纳米片”的研究论文，报道了二维材料宏量制备研究的最新突破。

研究团队在国际上首次实现碲化铌纳米片的宏量（108g）制备，为二维过渡金属碲化物纳米片的规模化制备提供了可能性。《自然》杂志审稿人评价该方法，“简单、快速、高效，对二维材料的宏量制备具有普适意义”。

华东理工大学材料科学与工程学院特聘副研究员张良柱博士介绍说，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、催化等物理化学性质，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，可用作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；其还展现出特有的量子现象，如超导和巨磁电阻等，可作为下一代的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，化学插层剥离法剥离效率虽然最高，但剥离仍需要数小时。此前，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，可以极大地提高剥离效率。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。

为解决上述科学难题，研究团队开拓了固相化学插层剥离方法，通过高温固相反应降低插层反应的活化能、使用硼氢化锂作为安全高效的固相锂插层试剂，从而实现安全、高效、快速的插层剥离。整个插层剥离过程只需10分钟，宏量制备出了百克量级的碲化铌纳米片，与此前研究制备量均小于1克比，提升了两个数量级。而且团队还利用此方法制备出了5种不同过渡金属的碲化物纳米片（MoTe₂、WTe₂、NbTe₂、TaTe₂和TiTe₂）和12种合金化合物纳米片，证明其具有普适性。观察到多种有趣的量子现象，例如MoTe₂纳米片具有依赖于厚度的金属－绝缘体相变，WTe₂纳米片具有巨磁电阻和舒勃尼科夫-德哈斯效应。

“我们开发的固相锂化和剥离金属碲化物纳米片的方法具有普适性，为发现新型范德华二维纳米材料提供新的方法，促进了二维材料的新奇性质发掘，推动二维纳米材料从基础研究迈向工业化应用。”张良柱介绍道。