近日，应ACS Nano期刊主编陈晓东（Xiaodong Chen）教授邀请，我校材料科学与工程学院张良柱特聘副研究员在该刊上发表了题为“Solid Lithiation and Exfoliation for Scalable Synthesis of Two-Dimensional Nanosheets toward Industrialization”的论文，总结了固相锂化剥离方法在制备二维材料的最新进展，对其工业化前景的挑战和潜力进行了展望。
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。大规模可控制备高质量二维过渡金属碲化物材料是实现其大规模基础物性、柔性电子、催化能源应用的重要前提。张良柱特聘副研究员针对这一科学问题，提出了固相锂化剥离的方法实现安全、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。此方法具有很好的普适性，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 (Nature 2024, 628,313-319)。该工作得到了国内外同行的广泛认可。新加坡南洋理工大学刘政教授、北京化工大学邱介山教授和北京航空航天大学的刘明杰教授分别在国际知名的期刊Nature briefing和Matter对该工作进行了评述，评价固相锂化剥离是一种快速和规模化制备碲化物纳米片的方法,这是二维材料制备领域的重大突破。(Nature briefing 2024. doi:d41586-024-01006-7, Matter 2024, 7(6),1922-1924, Matter 2024, 7(8),2704-2707 )
在本展望中讨论了固相锂化剥离的普适性，可将该方法拓展到报道的1800多种可剥离的范德华二维材料。固相锂化剥离也可以用于拓扑转化化学制备不同纳米形态的材料，如量子点、纳米带和纳米线。对固相锂化剥离的纳米片进行表面的功能化，保证其在水系/有机系的分散性和生物兼容性，进一步拓展二维纳米片不同场合应用需求。表面功能化还可以钝化空气敏感型二维纳米材料表面，确保剥离后的纳米片免于氧气或水的氧化。针对工业化挑战，首先需要采用粉末冶金的方法实现原料粉末的吨级别制备，固相锂化的过程需要从单次制备转变为链式炉的自动化制备，剥离后的氢氧化锂盐溶液需要通过膜分离的方法进行锂盐的回收。固相锂化剥离的二维纳米片的实际应用，可作为超级电容器和电池的电极材料、用于绿色氢气生产和二氧化碳转化的电催化剂和热催化剂，以及用于可印刷电子产品的功能性油墨。
我校材料科学与工程学院研究生张沈睿为论文的第一作者，张良柱特聘副研究员和大连化物所吴忠帅研究员为本文的通讯作者。铁算算盘4905香港为本文的第一通讯单位。该成果得到了国家自然科学基金委、国家重点研发计划、上海市浦江人才计划等项目的支持。
论文链接：https://pubs.acs.org/doi/full/10.1021/acsnano.4c09147
