4月3日，国际著名顶级学术刊物《自然》（Nature）在线发表了题为“规模化固相锂化和剥离制备金属碲化物纳米片”的研究论文，报道了二维材料宏量制备研究的最新突破。华东理工大学材料科学与工程学院特聘副研究员张良柱博士为本论文的第一作者，大连化物所吴忠帅研究员、中国科学院深圳先进技术研究院和深圳理工大学（筹）成会明院士、北京大学电子学院康宁副教授为论文共同通讯作者。
研究团队在国际上首次实现碲化铌纳米片的宏量（108g）制备，为二维过渡金属碲化物纳米片的规模化制备提供了可能性。《自然》杂志审稿人评价该方法“简单、快速、高效，对二维材料的宏量制备具有普适意义。”
二维过渡金属碲化物材料是一类新兴的二维材料，由碲原子（Te）和过渡金属原子（如钼、钨、铌等）组成，其微观结构类似于“三明治”，过渡金属原子被上下两层的碲原子“夹”住，形成层状二维材料。二维过渡金属碲化物材料因其奇特的超导、磁性、催化等物理化学性质，在量子通讯、催化、储能、光学等领域展现出重要应用潜力，受到了国际学术界的广泛关注。例如，过渡金属碲化物具有高导电性和大比表面积，可作为高性能超级电容器和电池的电极材料；过渡金属碲化物纳米片表面具有丰富可调的活性位点，可用做制备绿氢和双氧水的电催化剂，提高催化剂的选择性、效率和性能；其还展现出特有的量子现象，如超导和巨磁电阻等，可作为下一代的低功耗器件和高密度磁性存储器件的材料。然而，目前该材料还无法实现高质量的宏量制备，阻碍了其实际应用。
二维过渡金属碲化物材料一般采用“自上而下”的制备方法，如同拆解积木，通过机械力或化学作用方式将其一层一层剥离下来，从而制备出单层的二维纳米片。常用的“自上而下”方法有化学插层剥离法、球磨法、胶带剥离法、液相超声法等，其中，化学插层剥离法剥离效率虽然最高，但剥离仍需要数小时。此前，科学家们大多采用有机锂试剂作为插层剂，即将含有锂离子的插层剂插入块体层状结构材料的片层中，并利用锂和水的反应使插层剂“膨胀”，在每一层间形成一个“气压柱”，将叠在一起的纳米片层层“撑开”，就如同使用了一把“化学刮刀”一层一层地将纳米片“刮”下来，这种层间的气体膨胀作用力远大于机械剥离力，可以极大地提高剥离效率。但有机锂是一种易燃易爆的液体试剂，具有很大的安全隐患，因此，实现安全、高效的化学剥离成为科学家努力的目标。
为解决上述科学难题，研究团队开拓了固相化学插层剥离方法，通过高温固相反应降低插层反应的活化能、使用硼氢化锂作为安全高效的固相锂插层试剂，从而实现安全、高效、快速的插层剥离。整个插层剥离过程只需10分钟，宏量制备出了百克量级的碲化铌纳米片，与此前研究制备量均小于1克比，提升了两个数量级。而且团队还利用此方法制备出了五种不同过渡金属的碲化物纳米片（MoTe2、WTe2、NbTe2、TaTe2和TiTe2）和十二种合金化合物纳米片，证明其具有普适性。观察到多种有趣量子现象，例如MoTe2纳米片具有依赖于厚度的金属-绝缘体相变，WTe2纳米片具有巨磁电阻和舒勃尼科夫-德哈斯效应。
该工作以标题“规模化高质量二维碲化物纳米片在储能和催化的应用”，同期得到了Nature期刊的研究简报专栏报道。
“我们开发的固相锂化和剥离金属碲化物纳米片的方法具有普适性，为发现新型范德华二维纳米材料提供新的方法，促进了二维材料的新奇性质发掘，推动二维纳米材料从基础研究迈向工业化应用“张良柱介绍道。
该工作的开展和完成得到了材料学院和电子化学品创新研究院曾惠丹教授大力支持，并得到了国家自然科学基金委杰出青年科学基金与基础科学中心项目、国家重点研发计划项目、博士后引进项目、博士后基金、辽宁省自然科学基金、以及上海市浦江学者项目资助。
文章链接：https://www.nature.com/articles/s41586-024-07209-2
图.固相锂化和剥离制备二维过渡金属碲化物纳米片及其应用