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十月二維材料頂刊精選：劉忠范、崔屹、于中振、徐斌、孫東明、任文才、馮金奎頂刊大盤點(diǎn)

來源：本站時(shí)間：2019-11-26 16:50:06 瀏覽：8085次

1. 劉忠范Adv. Mater.：基于界面力調(diào)控的“粘毛輥”用于超凈石墨烯制備

污染是表面和界面技術(shù)中的主要問題。鑒于石墨烯是具有極大表面積的2D單層材料，表面污染可能會嚴(yán)重降低其固有性能，并嚴(yán)重阻礙其在表面和界面區(qū)域的適用性。然而到目前為止，科學(xué)家們尚未開發(fā)出保持其優(yōu)異性能的清潔石墨烯膜的大規(guī)模制備方法。

北京大學(xué)的劉忠范教授和彭海琳課題組報(bào)道了一種有效的生長后處理方法，該方法用于選擇性去除表面污染以實(shí)現(xiàn)大面積超凈石墨烯的制備。所獲得的表面清潔度超過99％的超純石墨烯，并可以轉(zhuǎn)移到聚合物殘留量顯著減少的介電基材上，獲得500000 cm² V^-1 s^-1的超高載流子遷移率和118 Ωμm的低接觸電阻。

文獻(xiàn)鏈接: A Force-Engineered Lint Roller for Superclean Graphene (Adv. Mater., 2019, DOI: 10.1002/adma.201902978)

2. 崔屹Nat. Commun.：二維無機(jī)分子晶體

由零維分子組成的二維分子晶體由于其新穎的物理特性而非常有吸引力。但是，它們主要限于有機(jī)分子。由于難以控制晶相、尺寸、厚度和生長表面，因此二維無機(jī)分子晶體的合成仍然是一個(gè)巨大的挑戰(zhàn)。

美國斯坦福大學(xué)的崔屹教授和華中科技大學(xué)的翟天佑教授設(shè)計(jì)了一種鈍化劑輔助氣相沉積方法，用于生長薄至單層的二維Sb₂O₃無機(jī)分子晶體。鈍化劑可防止異相成核并抑制低能晶面的生長，并使分子沿高能晶面逐個(gè)分子橫向生長。

作者使用拉曼光譜和原位透射電子顯微鏡發(fā)現(xiàn)，在熱和電子束照射下，Sb₂O₃薄片的絕緣α相可以轉(zhuǎn)變?yōu)榘雽?dǎo)體β相。此發(fā)現(xiàn)可以擴(kuò)展到其他二維無機(jī)分子晶體的調(diào)控生長，并為潛在的分子級電子設(shè)備做鋪墊。

文獻(xiàn)鏈接: Two-dimensional inorganic molecular crystals (Nat. Commun., 2019, DOI: 10.1038/s41467-019-12569-9)

3. 馮金奎ACS Nano：可擴(kuò)展鋰離子電池和鋰金屬電池大體積層狀合金的二維硅的物理合成

二維硅（2DSi）由于其獨(dú)特的結(jié)構(gòu)和性能，已廣泛應(yīng)用于儲氫，傳感器，電子設(shè)備，催化，電化學(xué)儲能等領(lǐng)域。然而，高質(zhì)量2DSi的可擴(kuò)展且低成本的制造仍然是一個(gè)很大的優(yōu)勢挑戰(zhàn)。

山東大學(xué)的馮金奎教授在這篇文章中設(shè)計(jì)了一種真空脫合金法，以從大體積層狀鈣硅合金獲得高質(zhì)量的2DSi。用這種方法，作者將較低沸點(diǎn)的鈣金屬蒸發(fā)以構(gòu)建2DSi，并且可以進(jìn)一步回收。深入研究了真空條件對形態(tài)，成分和電化學(xué)性能的影響。作為鋰離子電池的負(fù)極，2DSi在5000 mA g^-1的3000次循環(huán)后提供了835 mAh g^-1的穩(wěn)定循環(huán)能力。作者還探討了電化學(xué)性能增強(qiáng)機(jī)制。

此外，通過將2DSi與2D MXene結(jié)合使用，可以構(gòu)建2D/2D柔韌性和無粘合劑的紙張。作為鋰金屬電池的親鋰成核劑，2D/2D結(jié)構(gòu)可以有效抑制Li枝晶的生長并減少成核壁壘，在600個(gè)循環(huán)左右達(dá)到高庫侖效率，并具有1000 h的長壽命。作者研究了鋰金屬在銅箔和2DSi上的晶體生長差異。這項(xiàng)工作可為綠色，低成本和可擴(kuò)展的2D材料合成提供途徑。

文獻(xiàn)鏈接: Scalable and Physical Synthesis of 2D Silicon from Bulk Layered Alloy for Lithium-Ion Batteries and Lithium Metal Batteries (ACS Nano, 2019, DOI: 10.1021/acsnano.9b06653)

4. 任文才Nat. Commun.：利用淬火法超快地生長納米石墨烯薄膜

納米晶化是一種眾所周知的策略，可以極大地調(diào)節(jié)材料的性能。然而，由于納米晶石墨烯的制備極其困難，因此其在納米尺度上的晶粒尺寸效應(yīng)在實(shí)驗(yàn)上仍然未知。

中國科學(xué)院金屬研究所的任文才教授在這項(xiàng)研究中報(bào)道了，在液態(tài)碳源中通過淬火一個(gè)熱金屬箔，在幾秒鐘內(nèi)實(shí)現(xiàn)石墨烯薄膜的超快速生長。以鉑箔和乙醇為例，合成了四種平均粒徑約為3.6、5.8、8.0和10.3 nm的納米晶石墨烯薄膜。發(fā)現(xiàn)在納米尺度下晶界的影響變得更加明顯。

與原始石墨烯相比，3.6 nm的薄膜保留了高強(qiáng)度（101 GPa）和楊氏模量（576 GPa），而電導(dǎo)率卻下降了100倍以上，顯示出半導(dǎo)體性能，帶隙約為50meV。這種液相前驅(qū)物淬滅方法為典型的石墨烯材料和其他二維納米晶體材料的超快合成提供了參考。

文獻(xiàn)鏈接: Ultrafast growth of nanocrystalline graphene ?lms by quenching and grain-size-dependent strength and bandgap opening (Nat. Commun., 2019, DOI: 10.1038/s41467-019-12662-z)

5. 孫東明Nat. Commun.：垂直硅-石墨烯-鍺晶體管

因?yàn)槭┑脑雍穸人鸬幕鶚O穿越時(shí)間可忽略不計(jì)，石墨烯基晶體管已被提出用于高頻應(yīng)用。但是，通常使用的隧道發(fā)射極具有高的發(fā)射極勢壘高度，這限制了晶體管向太赫茲工作的性能。為了克服這個(gè)問題，理論上已經(jīng)提出了石墨烯基異質(zhì)結(jié)晶體管，其中石墨烯基被硅層夾在中間。

中國科學(xué)院金屬研究所的孫東明教授在這項(xiàng)研究中演示了一種垂直硅-石墨烯-鍺晶體管，其中實(shí)現(xiàn)了由單晶硅和單層石墨烯構(gòu)成的Schottky發(fā)射極。這種Schottky發(fā)射極的電流為692 A/cm²，電容為41 nF/cm²，因此，通過使用當(dāng)前的隧道發(fā)射極，晶體管的alpha截止頻率有望從大約1MHz增加到1 GHz以上。隨著進(jìn)一步的工程設(shè)計(jì)，半導(dǎo)體-石墨烯-半導(dǎo)體晶體管有望成為超高頻工作最有希望的器件之一。

文獻(xiàn)鏈接: A vertical silicon-graphene-germanium transistor (Nat. Commun., 2019, DOI: 10.1038/s41467-019-12814-1)

6. 徐斌Small：適用于高性能鋰離子電池的柔性3D多孔MXene

2D過渡金屬碳化物和氮化物（稱為MXenes）是十分有前景的能量存儲材料，但由于2D納米片的聚集和重新堆疊，這限制了它們的電化學(xué)性能。

北京化工大學(xué)的徐斌教授為了克服這個(gè)問題并實(shí)現(xiàn)MXene納米片的全部潛力，通過簡單的硫模板法建立了具有發(fā)達(dá)的多孔結(jié)構(gòu)的3D MXene泡沫，這種產(chǎn)物具有柔韌性和高導(dǎo)電性，可以直接用作鋰離子電池中的電極。MXene泡沫的3D多孔結(jié)構(gòu)提供了大量的活性位點(diǎn)，以增強(qiáng)鋰的儲存能力。

此外，其泡沫結(jié)構(gòu)有助于電解質(zhì)滲透，從而實(shí)現(xiàn)Li⁺的快速轉(zhuǎn)移。這種柔軟的3D多孔MXene泡沫在50 mA/g時(shí)表現(xiàn)出455.5 mAh/g的顯著增強(qiáng)的容量，出色的速率和超長期循環(huán)穩(wěn)定性。這項(xiàng)工作不僅證明了3D多孔MXene泡沫的巨大優(yōu)勢，而且提出了在相對較低的溫度下可控地從2D納米片構(gòu)造3D泡沫的方法。

文獻(xiàn)鏈接: Flexible 3D Porous MXene Foam for High-Performance Lithium-Ion Batteries (Small, 2019, DOI: 10.1002/smll.201904293)

7.于振中Adv. Funct. Mater.：仿生葉狀的柔性多功能織物——MXene/銀納米線，用于電磁干擾屏蔽和濕度監(jiān)測

隨著可穿戴設(shè)備的迅速發(fā)展，電子織物的研究成為一個(gè)新的熱點(diǎn)，多功能、智能化的需求帶來了機(jī)遇與挑戰(zhàn)。但在賦予織物新功能的同時(shí)，保證其基底原有結(jié)構(gòu)、透氣性、舒適性等成為一個(gè)亟需解決的問題。與傳統(tǒng)導(dǎo)電填料相比，過渡金屬碳化物/碳氮化物（MXene）作為一種新的二維導(dǎo)電納米材料，具有優(yōu)異的導(dǎo)電性和豐富的表面官能團(tuán)，在可穿戴織物領(lǐng)域展現(xiàn)出了巨大的應(yīng)用前景。

北京化工大學(xué)張好斌教授和于振中教授通過真空輔助的逐層組裝技術(shù)在紡織品上共形沉積導(dǎo)電物質(zhì)，從而開發(fā)出具有出色的電磁干擾（EMI）屏蔽性能，超疏水性和高度敏感的濕度響應(yīng)的多功能和柔性紡織品。形成的葉狀納米結(jié)構(gòu)由作為高導(dǎo)電骨架的銀納米線（AgNWs）和作為薄片的過渡金屬碳化物/碳氮化物（MXene）納米片組成。MXene的存在可保護(hù)AgNWs免受氧化，并增強(qiáng)AgNWs與織物基材的結(jié)合，其官能團(tuán)的轉(zhuǎn)化導(dǎo)致自衍生的疏水性。

這種柔軟的多功能紡織品在120微米的小厚度下表現(xiàn)出0.8 Ωsq^-1的低薄層電阻，出色的X波段EMI屏蔽效率和高度敏感的濕度響應(yīng)，同時(shí)保持令人滿意的孔隙率和滲透性。具有較大接觸角的自衍生疏水性是通過使親水性MXene涂層的老化而實(shí)現(xiàn)的。可穿戴多功能紡織品在智能服裝，濕度傳感器和EMI屏蔽中的應(yīng)用前景非常廣闊。

文獻(xiàn)鏈接: Flexible and Multifunctional Silk Textiles with Biomimetic Leaf-Like MXene/Silver Nanowire Nanostructures for Electromagnetic Interference Shielding, Humidity Monitoring, and Self-Derived Hydrophobicity (Adv. Funct. Mater., 2019, DOI: 10.1002/adfm.201905197)

8. Yong-Wei Zhang Chem. Mater.：磷的析氫性能可與鉑媲美

氫是最清潔的燃料，它是最有前途的能源之一，可以潛在地減少對化石燃料的依賴。如今，氫氣的90％是通過化石燃料的改造產(chǎn)生的，這是不可持續(xù)的，并伴隨著嚴(yán)重的CO₂排放。因此，探索有效、低成本和清潔地生產(chǎn)氫氣的替代途徑是一個(gè)活躍的研究主題。

氫分解反應(yīng)（HER，2H⁺+2e^?→H₂）是電化學(xué)水分解中的陰極反應(yīng)，這種方式提供了產(chǎn)生H₂的潛力。先進(jìn)的HER催化劑由于其高效的功能性，主要由貴金屬（尤其是Pt）組成。但是，貴金屬的稀缺性和高成本限制了它們的可擴(kuò)展性應(yīng)用，并促使人們尋找低成本的替代品。

新加坡A*STAR的Gang Zhang教授和Yong-Wei Zhang教授發(fā)現(xiàn)，雖然理想的磷片具有催化惰性，但具有原子缺陷的磷卻能夠用作高級HER催化劑。通過篩選空位和/或邊緣含磷的磷原子位置，可以確定HER過程的活性位。通過考察吉布斯自由能，作者發(fā)現(xiàn)單空位和三空位等奇數(shù)空位包含多個(gè)活性位點(diǎn)，這些活性位點(diǎn)具有與鉑相當(dāng)?shù)拇呋芰Α１M管空位處的原子位點(diǎn)本質(zhì)上是惰性的，但適當(dāng)?shù)睦鞈?yīng)變可以使其具有催化活性。

作者進(jìn)一步揭示，磷光體中優(yōu)異的HER活性是由于這些缺陷處鍵的強(qiáng)烈扭曲的局部狀態(tài)引起的。從氫原子到缺陷的電荷轉(zhuǎn)移以及缺陷中局部扭曲的晶格位點(diǎn)都證明了良好的氫-磷原子相互作用和優(yōu)異的HER。

文獻(xiàn)鏈接: Design of Phosphorene for Hydrogen Evolution Performance Comparable to Platinum (Chem. Mater., 2019, DOI: 10.1021/acs.chemmater.9b03031)

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