4月3日，國際著名頂級學術(shù)刊物《自然》（Nature）在線發(fā)表了題為“規(guī)模化固相鋰化和剝離制備金屬碲化物納米片”的研究論文，報道了二維材料宏量制備研究的最新突破。
華東理工大學材料科學與工程學院研究團隊在國際上首次實現(xiàn)碲化鈮納米片的宏量（108g）制備，為二維過渡金屬碲化物納米片的規(guī)模化制備提供了可能性。《自然》雜志審稿人評價該方法，“簡單、快速、高效，對二維材料的宏量制備具有普適意義”。
該學院特聘副研究員張良柱博士介紹說，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。二維過渡金屬碲化物材料因其奇特的超導(dǎo)、磁性、催化等物理化學性質(zhì)，在量子通訊、催化、儲能、光學等領(lǐng)域展現(xiàn)出重要應(yīng)用潛力，受到了國際學術(shù)界的廣泛關(guān)注。例如，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；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；其還展現(xiàn)出特有的量子現(xiàn)象，如超導(dǎo)和巨磁電阻等，可作為下一代的低功耗器件和高密度磁性存儲器件的材料。然而，目前該材料還無法實現(xiàn)高質(zhì)量的宏量制備，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，化學插層剝離法剝離效率雖然最高，但剝離仍需要數(shù)小時。此前，科學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，可以極大地提高剝離效率。但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、高效的化學剝離成為科學家努力的目標。
為解決上述科學難題，研究團隊開拓了固相化學插層剝離方法，通過高溫固相反應(yīng)降低插層反應(yīng)的活化能、使用硼氫化鋰作為安全高效的固相鋰插層試劑，從而實現(xiàn)安全、高效、快速的插層剝離。整個插層剝離過程只需10分鐘，宏量制備出了百克量級的碲化鈮納米片，與此前研究制備量均小于1克比，提升了兩個數(shù)量級。而且團隊還利用此方法制備出了5種不同過渡金屬的碲化物納米片（MoTe?、WTe?、NbTe?、TaTe?和TiTe?）和12種合金化合物納米片，證明其具有普適性。觀察到多種有趣的量子現(xiàn)象，例如MoTe?納米片具有依賴于厚度的金屬－絕緣體相變，WTe?納米片具有巨磁電阻和舒勃尼科夫-德哈斯效應(yīng)。
“我們開發(fā)的固相鋰化和剝離金屬碲化物納米片的方法具有普適性，為發(fā)現(xiàn)新型范德華二維納米材料提供新的方法，促進了二維材料的新奇性質(zhì)發(fā)掘，推動二維納米材料從基礎(chǔ)研究邁向工業(yè)化應(yīng)用。”張良柱介紹道。
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