4月3日，國際著名頂級學術刊物《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特聘副研究員張良柱博士為本論文的第一作者，大連化物所吳忠?guī)浹芯繂T、中國科學院深圳先進技術研究院和深圳理工大學（籌）成會明院士、北京大學電子學院康寧副教授為論文共同通訊作者。
研究團隊在國際上首次實現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。”
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。二維過渡金屬碲化物材料因其奇特的超導、磁性、催化等物理化學性質，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。例如，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；過渡金屬碲化物納米片表面具有豐富可調的活性位點，可用做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；其還展現出特有的量子現象，如超導和巨磁電阻等，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高質量的宏量制備，阻礙了其實際應用。
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構材料的片層中，并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，通過高溫固相反應降低插層反應的活化能、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，提升了兩個數量級。而且團隊還利用此方法制備出了五種不同過渡金屬的碲化物納米片（MoTe2、WTe2、NbTe2、TaTe2和TiTe2）和十二種合金化合物納米片，證明其具有普適性。觀察到多種有趣量子現象，例如MoTe2納米片具有依賴于厚度的金屬-絕緣體相變，WTe2納米片具有巨磁電阻和舒勃尼科夫-德哈斯效應。
該工作以標題“規(guī)模化高質量二維碲化物納米片在儲能和催化的應用”，同期得到了Nature期刊的研究簡報專欄報道。
“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發(fā)掘，推動二維納米材料從基礎研究邁向工業(yè)化應用“張良柱介紹道。
該工作的開展和完成得到了材料學院和電子化學品創(chuàng)新研究院曾惠丹教授大力支持，并得到了國家自然科學基金委杰出青年科學基金與基礎科學中心項目、國家重點研發(fā)計劃項目、博士后引進項目、博士后基金、遼寧省自然科學基金、以及上海市浦江學者項目資助。
文章鏈接：https://www.nature.com/articles/s41586-024-07209-2
圖.固相鋰化和剝離制備二維過渡金屬碲化物納米片及其應用