二维过渡金属碲化物是什么
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示意图
二维过渡金属碲化物材料具有奇特的超导、磁性、催化活性等物理和化学性质，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。
例如利用过渡金属碲化物具有高导电性和大比表面积，作为高性能超级电容器和电池的电极材料；利用过渡金属碲化物纳米片表面具有丰富可调的活性位点，制备绿氢和双氧水电催化剂，提高催化剂选择性、效率和性能；利用材料展现出的超导和巨磁电阻等新奇量子现象，或可为下一代低功耗器件和高密度磁性存储器件提供材料。
然而，目前二维过渡金属碲化物材料的高质量宏量制备仍面临巨大挑战，严重阻碍了其实际应用。
寻找关键液体试剂
二维过渡金属碲化物材料一般采用“自上而下”的制备方法，就如同拆解积木，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。
“自上而下”制备方法通常有化学插层剥离法、球磨法、胶带剥离法、液相超声法等，其中化学插层剥离法的剥离效率虽然最高，但剥离制备仍需要数小时。
目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。
▲二维过渡金属碲化物材料“自上而下”的制备示意动画
让安全大量制备新材料成为可能
为了更好的发展新材料，中国科学院大连化学物理研究所吴忠帅研究员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成会明院士及北京大学电子学院康宁副教授等合作，采用固相化学插层剥离方法，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，可用于高温固相插锂反应，解决了插层反应速度慢的问题，从而实现了安全、高效、快速的插层剥离。
整个插层剥离过程只需10分钟，可宏量制备出百克级（108克）碲化铌纳米片，与同等时间液相化学插层剥离法制备量均小于1克比，此方法效率和产量均有了大幅提升。
▲ 固相锂化插层剥离合成过渡金属碲化物纳米片的示意图
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和十二种合金化合物纳米片，证明其具有普适性。
同时，科学家还观察到了多种特征的量子输运现象，例如碲化钼（ MoTe 2 ）纳米片具有依赖于厚度的金属-绝缘体相变，碲化钨（ WTe 2 ）纳米片具有巨磁电阻和舒勃尼科夫-德哈斯效应等。
▲ 制备出多种不同过渡金属的碲化物纳米片
通过该方法制备出的二维过渡金属碲化物纳米片溶液和粉体具有良好的加工性能，可以作为各种功能性浆料，实现薄膜、丝网印刷器件、3D打印器件、光刻器件的高效和定制化加工等。
同时有望在高性能量子器件、柔性电子、微型超级电容器、电池、催化、电磁屏蔽、复合材料等方向发挥重要作用。
▲ 过渡金属碲化物纳米片加工成粉末、溶液、薄膜、3D打印器件、丝网印刷器件的图片
该成果以 Metal telluride nanosheets by scalable solid lithiation and exfoliation 为题，于4月3日在线发表在《自然》杂志上。
来源：中国科学院大连化学物理研究所
责任编辑：刘映含