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科学》杂志：一种能够合成数百种新型二维材料的方法

文章来源：贤集网更新时间：2024-03-19 15:35:12

二维材料非常薄，只有几个原子厚，具有独特的性质，使其在能量存储、催化和水净化等方面极具吸引力。瑞典林雪平大学研究人员开发出一种能够合成数百种新型二维材料的方法。研究发表在最新一期的《科学》杂志上。

图1. 计算筛选方法的示意图。

自从石墨烯被发现以来，有关极薄材料（即所谓的二维材料）的研究呈指数级增长。二维材料相对于其体积或重量具有极大的表面积，因此产生了一系列物理现象和独特的性能，例如良好的导电性、高强度或耐热性，使得二维材料在基础研究和应用中都受到关注。

最大的二维材料家族是MXene，由称为MAX相的三维母体材料创建。它由3种不同的元素组成：M是过渡金属，A是（A族）元素，X是碳或氮。通过用酸去除A元素（剥离），可创建二维材料。但到目前为止，MXene是唯一以这种方式创建的材料系列。

图2. 层状材料的剥离和溶剂化自由能比较。

研究人员引入了一种理论方法来预测其他可能适合转换为二维材料的三维材料，并证明了理论模型与现实是一致的。

研究人员采用了3步过程。首先，他们开发了一个理论模型来预测哪些母材是合适的。通过瑞典国家超级计算机中心的大规模计算，研究人员从包含66643种材料的数据库中识别出119种有前途的三维材料。

其次，他们尝试在实验室中制造这种材料。研究人员从母体材料YRu2Si2中去除了钇（Y），从而形成了二维的Ru2SixOy。

图3. 化学剥落的初始阶段，由空位形成自由能证明。

最后一步是进行实验室验证，他们使用扫描透射电子显微镜Arwen在原子水平上检查材料及其结构。利用Arwen还可使用光谱法研究材料由哪些原子组成。

研究证明了理论模型确实有效，并且所得材料由正确的原子组成。该理论可付诸实践，从而将化学剥离的概念扩展到比MXene更广泛的材料中。

图4. YRu2Si2在HF水溶液中的化学剥落。

自从石墨烯横空出世，越来越多的二维材料家族成员进入人类视野。在电子元器件领域，很多二维材料凭借更高的电荷迁移率、更小的功耗等，展现出比传统硅材料更加优越的性能。不仅如此，在燃料电池、太阳能电池等新能源领域，二维材料凭借其独特结构和可调控特性，拥有广阔应用前景。科学家发现能够合成数百种新型二维材料的方法，将使二维材料家族进一步壮大，也为二维材料科学研究提供了更多可能。

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