我國科學家實現二維過渡金屬碲化物材料的批量制備-新華網
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2024 04/07 08:26:44
來源:科技日報

我國科學家實現二維過渡金屬碲化物材料的批量制備

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來自中國科學院大連化學物理研究所、中國科學院深圳先進技術研究院和北京大學的科研人員,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模化制備提供了可能。該研究成果4月3日線上發表于《自然》。

  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,其微觀結構類似于“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、磁性、催化活性等物理和化學性質,二維過渡金屬碲化物材料在量子通訊、催化、儲能、光學等領域展現出重要應用潛力,受到了國際學術界的廣泛關注。

  “比如,二維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。同時,二維過渡金屬碲化物奈米片表面具有豐富可調的活性位點,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記憶體件的材料。”論文共同通訊作者、中國科學院大連化學物理研究所研究員吳忠帥解釋。

  然而,目前該材料還無法實現高品質的批量制備,阻礙了其實際應用。

  二維過渡金屬碲化物材料一般採用“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奈米片。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,但剝離仍需要數小時。

  科學家們大多採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構材料的片層中,並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”,將疊在一起的奈米片層層“撐開”,就如同使用了一把“化學刮刀”一層一層地將奈米片“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,實現安全、高效的化學剝離成為科學家努力的目標。”吳忠帥説。

  科研人員此次創新性地採用固相化學插層剝離方法,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,在幹燥空氣中穩定,可用于高溫固相插鋰反應,解決了插層反應速度慢的問題,從而實現了安全、高效、快速的插層剝離。整個插層剝離過程只需10分鐘,可批量制備出百克級(108克)碲化鈮奈米片,與液相化學插層剝離法制備量均小于1克相比,此方法的産量提升了兩個數量級。

  值得關注的是,科研人員還利用此方法制備出了5種不同過渡金屬的二維過渡金屬碲化物奈米片和12種合金化合物奈米片,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。

  吳忠帥表示,利用該方法制備出的二維過渡金屬碲化物奈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,實現薄膜、絲網印刷器件、3D列印器件、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、電磁遮罩、復合材料等方向發揮重要作用。

【糾錯】 【責任編輯:孫曉倩】