近日，應《ACS Nano》期刊主編陳曉東（Xiaodong Chen）教授邀請，我校材料科學與工程學院張良柱特聘副研究員在該刊上發(fā)表題為“Solid Lithiation and Exfoliation for Scalable Synthesis of Two-Dimensional Nanosheets toward Industrialization”（https://pubs.acs.org/doi/full/10.1021/acsnano.4c09147）總結了固相鋰化剝離方法在制備二維材料的最新進展，對其工業(yè)化前景的挑戰(zhàn)和潛力進行了展望。
二維過渡金屬碲化物（TMT）是一類新興的二維材料，是國際公認的基礎性、前瞻性和戰(zhàn)略性材料體系。TMT材料如WTe2和MoTe2，屬于經典的量子材料，可以用于研究多種新穎物理性質。大規(guī)模可控制備高質量二維過渡金屬碲化物材料是實現其大規(guī)模基礎物性、柔性電子、催化能源應用的重要前提。張良柱特聘副研究員針對這一科學問題，提出了固相鋰化剝離的方法實現安全、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。此方法具有很好的普適性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(Nature 2024, 628,313-319)。該工作得到了國內外同行的廣泛認可。新加坡南洋理工大學劉政教授、北京化工大學邱介山教授和北京航空航天大學的劉明杰教授分別在國際知名的期刊Nature briefing和Matter對該工作進行了評述，評價固相鋰化剝離是是一種快速和規(guī)模化制備碲化物納米片的方法,這是二維材料制備領域的重大突破。(Nature briefing 2024. doi:d41586-024-01006-7,Matter 2024, 7(6),1922-1924,Matter 2024, 7(8),2704-2707 )
在本展望中討論了固相鋰化剝離的普適性，可將該方法拓展到報道的1800多種可剝離的范德華二維材料。固相鋰化剝離也可以用于拓撲轉化化學制備不同納米形態(tài)的材料，如量子點、納米帶和納米線。對固相鋰化剝離的納米片進行表面的功能化，保證其在水系/有機系的分散性和生物兼容性，進一步拓展二維納米片不同場合應用需求。表面功能化還可以鈍化空氣敏感型二維納米材料表面，確保剝離后的納米片免于氧氣或水的氧化。針對工業(yè)化挑戰(zhàn)，首先需要采用粉末冶金的方法實現原料粉末的噸級別制備，固相鋰化的過程需要從單次制備轉變?yōu)殒準綘t的自動化制備，剝離后的氫氧化鋰鹽溶液需要通過膜分離的方法進行鋰鹽的回收。固相鋰化剝離的二維納米片的實際應用，可作為超級電容器和電池的電極材料、用于綠色氫氣生產和二氧化碳轉化的電催化劑和熱催化劑，以及用于可印刷電子產品的功能性油墨。
我校材料科學與工程學院研究生張沈睿為論文的第一作者，張良柱特聘副研究員和大連化物所吳忠?guī)浹芯繂T為本文的通訊作者。華東理工大學為本文的第一通訊單位。該成果得到了國家自然科學基金委、國家重點研發(fā)計劃、上海市浦江人才計劃項目的支持。