大连化物所实现二维金属碲化物材料宏量制备

近日，中国科学院大连化学物理研究所催化基础国家重点实验室二维材料化学与能源应用研究组研究员吴忠帅团队，与中国科学院深圳先进技术研究院、中国科学院金属研究所、中国科学院院士成会明团队，以及北京大学副教授康宁团队合作，在二维过渡金属碲化物材料的宏量制备方面取得重要进展，为金属碲化物二维材料的物性研究与能源应用等提供了可能性。

二维过渡金属碲化物（TMT）是一类新兴的二维材料，是国际公认的基础性、前瞻性和战略性材料体系。TMT材料如WTe2和MoTe2，属于经典的量子材料，可以用于研究多种新颖物理性质。例如，WTe2具有极大的磁阻和拓扑非平凡相，MoTe2具有铁电和超导特性等。

目前，“自上而下”的方法通常被用来大规模生产纳米片，但该方法制备TMT纳米片存在插层反应能垒高、插层反应低效、剥离效率低、安全性差等问题。例如，球磨和液相剥离制备的纳米片具有亚微米横向尺寸和较差的可重复性，总体质量不高导致其应用受限。电化学插层剥离需要制备的电极为大块单晶或者将层状材料刮涂在导电衬底上，难以实现大规模制备。化学插层剥离涉及到有机锂作为插层试剂，但有机锂具有易燃易爆的性质并且需要在负压或者手套箱中操作，这对实验设备要求非常高并且不安全。因此，安全、可重复和可扩展的合成技术是将TMT纳米片从实验室推广到实际应用的技术瓶颈。

本工作中，吴忠帅团队提出了一种固相化学插层剥离新方法，通过高温固相反应降低插层反应的活化能，创新性地筛选出了一种固相插层试剂——硼氢化锂，硼氢化锂具有强还原性质，在干燥空气中稳定，可用于实现高温固相插锂反应，克服了插层反应速度慢的问题，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短短10分钟，可宏量制备出百克级（108克）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。重要的是，该方法具有普适性，此方法成功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，丰富了二维材料体系库，实现了材料功能化、定制化制备。此外，团队还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-德哈斯效应等。

该工作制备出来的系列二维碲化物和合金化合物纳米片有望为能源化学、材料科学、凝聚态物理等的研究提供新的平台材料体系。值得注意的是，二维过渡金属碲化物纳米片具有良好的加工性能，可进一步加工成溶液、薄膜、丝网印刷墨水、3D打印器件、光刻的微型超级电容器等，研究团队进一步验证了该类二维材料在高性能量子器件、微型超级电容器、先进电池、能源催化、电磁屏蔽、复合材料等领域的重要应用潜力。

相关成果以“Metal Telluride Nanosheets by Scalable Solid Lithiation and Exfoliation”为题，于4月3日以长文（Research Article）的形式发表在《自然》（Nature）上。同期《自然》还以“Scalable, high-quality 2D telluride nanosheets for energy and catalysis applications”为题，在研究简报（Nature Brief）专栏中报道了该研究成果。

该工作的共同第一作者是大连化物所博士后（已出站）张良柱和北京大学研究生杨子萱。该成果球差电镜表征部分工作得到了大连化物所五室李名润研究员的支持。上述工作得到国家自然科学基金、国家自然科学基金委“六元环无机材料”基础科学中心项目、国家重点研发计划、国家博士后国际交流引进计划、中国博士后科学基金、上海市浦江人才计划等项目的资助。

文章链接：https://www.nature.com/articles/s41586-024-07209-2