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具有奇特的超導(dǎo)、磁性、催化活性等物理和化學(xué)性質(zhì)，在量子通訊、催化、儲(chǔ)能、光學(xué)等領(lǐng)域展現(xiàn)出重要應(yīng)用潛力，受到了國際學(xué)術(shù)界的廣泛關(guān)注。
例如利用過渡金屬碲化物具有高導(dǎo)電性和大比表面積，作為高性能超級(jí)電容器和電池的電極材料；利用過渡金屬碲化物納米片表面具有豐富可調(diào)的活性位點(diǎn)，制備綠氫和雙氧水電催化劑，提高催化劑選擇性、效率和性能；利用材料展現(xiàn)出的超導(dǎo)和巨磁電阻等新奇量子現(xiàn)象，或可為下一代低功耗器件和高密度磁性存儲(chǔ)器件提供材料。
然而，目前二維過渡金屬碲化物材料的高質(zhì)量宏量制備仍面臨巨大挑戰(zhàn)，嚴(yán)重阻礙了其實(shí)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，就如同拆解積木，通過機(jī)械力或化學(xué)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。
“自上而下”制備方法通常有化學(xué)插層剝離法、球磨法、膠帶剝離法、液相超聲法等，其中化學(xué)插層剝離法的剝離效率雖然最高，但剝離制備仍需要數(shù)小時(shí)。
目前科學(xué)家們大多采用有機(jī)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(gè)“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(xué)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(yuǎn)大于機(jī)械剝離力，可以提高剝離效率。
但有機(jī)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(shí)現(xiàn)安全、高效的化學(xué)剝離成為科學(xué)家努力的目標(biāo)。
▲二維過渡金屬碲化物材料“自上而下”的制備示意動(dòng)畫
為了更好的發(fā)展新材料，中國科學(xué)院大連化學(xué)物理研究所吳忠?guī)浹芯繂T團(tuán)隊(duì)與中國科學(xué)院深圳先進(jìn)技術(shù)研究院、中國科學(xué)院金屬研究所成會(huì)明院士及北京大學(xué)電子學(xué)院康寧副教授等合作，采用固相化學(xué)插層剝離方法，創(chuàng)新性地篩選出了一種固相插層試劑——硼氫化鋰。
硼氫化鋰具有強(qiáng)還原性質(zhì)，在干燥空氣中穩(wěn)定，可用于高溫固相插鋰反應(yīng)，解決了插層反應(yīng)速度慢的問題，從而實(shí)現(xiàn)了安全、高效、快速的插層剝離。
整個(gè)插層剝離過程只需10分鐘，可宏量制備出百克級(jí)（108克）碲化鈮納米片，與同等時(shí)間液相化學(xué)插層剝離法制備量均小于1克比，此方法效率和產(chǎn)量均有了大幅提升。
▲固相鋰化插層剝離合成過渡金屬碲化物納米片的示意圖
團(tuán)隊(duì)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和十二種合金化合物納米片，證明其具有普適性。
同時(shí)，科學(xué)家還觀察到了多種特征的量子輸運(yùn)現(xiàn)象，例如碲化鉬（MoTe2）納米片具有依賴于厚度的金屬-絕緣體相變，碲化鎢（WTe2）納米片具有巨磁電阻和舒勃尼科夫-德哈斯效應(yīng)等。
通過該方法制備出的二維過渡金屬碲化物納米片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(shí)現(xiàn)薄膜、絲網(wǎng)印刷器件、3D打印器件、光刻器件的高效和定制化加工等。
同時(shí)有望在高性能量子器件、柔性電子、微型超級(jí)電容器、電池、催化、電磁屏蔽、復(fù)合材料等方向發(fā)揮重要作用。
▲過渡金屬碲化物納米片加工成粉末、溶液、薄膜、3D打印器件、絲網(wǎng)印刷器件的圖片
該成果以Metal telluride nanosheets by scalable solid lithiation and exfoliation為題，于4月3日在線發(fā)表在《自然》雜志上。
來源：中國科學(xué)院大連化學(xué)物理研究所
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