雷鈺團(tuán)隊(duì)及合作者在二維材料缺陷調(diào)控及生物應(yīng)用等領(lǐng)域取得新進(jìn)展

自石墨烯首次被成功剝離之后，二維材料于儲(chǔ)能、柔性器件、電子學(xué)、光子學(xué)、生物醫(yī)學(xué)以及催化等諸多領(lǐng)域均展現(xiàn)出廣泛的應(yīng)用前景。在可規(guī)?；铣啥S材料方法中，液相剝離法通過(guò)削弱塊狀層狀材料中的范德華力，將原子級(jí)薄的材料層分散在液體中，是一種常用的二維材料剝離方法。在液相剝離法中，通常會(huì)借助超聲處理以破壞范德華力，此操作易引發(fā)分散所得二維納米片的厚度出現(xiàn)較大差異。與此同時(shí)，為獲取高產(chǎn)率的單層或少數(shù)層二維納米片，諸如球磨、表面活性劑添加以及高功率和高溫機(jī)械剝離等策略常被采用，而額外能量的引入與表面活性劑的添加亦會(huì)引發(fā)污染問(wèn)題、產(chǎn)生額外缺陷，且所獲二維納米片的橫向尺寸相對(duì)較小。

近日，清華大學(xué)深圳國(guó)際研究生院雷鈺團(tuán)隊(duì)聯(lián)合賓夕法尼亞州立大學(xué)Mauricio Terrones教授團(tuán)隊(duì)創(chuàng)造性地開(kāi)發(fā)了一種液態(tài)金屬鎵（Ga）輔助剝離二維材料的通用方法，該方法能在接近室溫的條件下有效地從塊狀材料中剝離二維材料，且不會(huì)引入額外的缺陷。將熔融態(tài)的鎵與層狀材料粉末通過(guò)磁力攪拌器進(jìn)行溫和混合，借助液態(tài)金屬于二維層間的插層作用，實(shí)現(xiàn)層間距的擴(kuò)大并引發(fā)剝離過(guò)程。此外，鎵的流體特性和三氧化二鎵（Ga?O?）的黏附特性使得磁力攪拌產(chǎn)生的溫和剪切力能夠從塊狀晶體上剝離出二維層。這種雙重效應(yīng)形成了一種通用的方法，可用于剝離多種二維材料（石墨烯、碲化鉬（MoTe?）、硒化鉬（MoSe?）、硒化鎢（WSe?）、硫化鉬（MoS?）、硫化鎢（WS?）、硒化鈮（NbSe?）、六方氮化硼（h-BN）和蛭石）。針對(duì)不同的應(yīng)用，所剝離的二維納米片的晶體質(zhì)量可以通過(guò)塊狀晶體的缺陷水平得到很好的控制。通過(guò)使用高晶體質(zhì)量的六方氮化硼，所剝離的六方氮化硼納米片（BNNS）展現(xiàn)出巨大的磁雙折射效應(yīng)，其Cotton - Mouton系數(shù)高達(dá)2.9×10? T?2 m?1，此特性使其適宜用作穩(wěn)定的基于雙折射原理的調(diào)制器。還證明了通過(guò)在塊狀硫化鉬中采用冷凍球磨引入擴(kuò)展空位，所剝離的多缺陷硫化鉬納米片作為析氫反應(yīng)（HER）催化劑時(shí)，其催化活性顯著提高。

圖2 液態(tài)金屬輔助剝離過(guò)程及普適性

相關(guān)成果以“液態(tài)金屬輔助剝離二維材料”(Two-dimensional Nanosheets by Liquid Metal Exfoliation)為題發(fā)表于《Advanced Materials》。論文通訊作者為清華大學(xué)深圳國(guó)際研究生院雷鈺助理教授和賓夕法尼亞州立大學(xué)Mauricio Terrones教授，第一作者為清華大學(xué)深圳國(guó)際研究生院2023級(jí)博士生白一超，合作作者包括清華大學(xué)深圳國(guó)際研究生院的康飛宇教授、劉碧錄教授、汪鴻章助理教授等，美國(guó)倫斯勒理工學(xué)院的Humberto Terrones教授及加拿大康考迪亞大學(xué)的George Bepete助理教授等。

此外在二維材料的生物應(yīng)用領(lǐng)域，該團(tuán)隊(duì)還開(kāi)發(fā)了一種單原子V摻雜MoS?（V-MoS?）的電化學(xué)傳感器。V-MoS?中的V單原子催化位點(diǎn)（SAC）可以更好地與單胺小分子結(jié)合，從而實(shí)現(xiàn)高選擇性實(shí)時(shí)檢測(cè)人工胃/腸液中的血清素（5-HT）。V-SAC 與 MoS?表面S鍵的協(xié)同效應(yīng)使得 5-HT 的檢測(cè)范圍極廣（從 1 pM 到 100 μM），同時(shí)具有優(yōu)秀的選擇性和抗干擾性。結(jié)合密度泛函理論計(jì)算和掃描透射電子顯微鏡的結(jié)果，可以得出結(jié)論：嵌入 MoS?的 V-SAC活性位點(diǎn)極大地促進(jìn)了材料與 5-HT 分子之間的電荷交換。這一結(jié)果為腸腦軸GBA 研究中的 5-HT 檢測(cè)提供了更強(qiáng)有力的工具，而利用缺陷工程材料的可調(diào)性則為實(shí)現(xiàn) GBA 中其他單胺類(lèi)神經(jīng)遞質(zhì)（如多巴胺和去甲腎上腺素）的實(shí)時(shí)和多組分檢測(cè)提供了一個(gè)通用平臺(tái)。

圖3 V-MoS?檢測(cè)腸腦軸中單胺類(lèi)神經(jīng)遞質(zhì)

該研究工作以“V-MoS?實(shí)現(xiàn)pM級(jí)腸腦軸神經(jīng)遞質(zhì)檢測(cè)”(Vanadium Single Atoms Embedded in MoS? Enabled Gut-Brain Axis Neurotransmitter Detection at pM Levels)為題發(fā)表于《Small》。論文通訊作者為清華大學(xué)深圳國(guó)際研究生院康飛宇教授、雷鈺助理教授和賓夕法尼亞州立大學(xué)Mauricio Terrones教授，第一作者為清華大學(xué)深圳國(guó)際研究生院2024級(jí)博士生孫藺萱。這些研究得到國(guó)家自然科學(xué)基金委、科技部、廣東省科技廳、深圳市科創(chuàng)委等部門(mén)的支持。

論文鏈接：
https://doi.org/10.1002/adma.202416375
https://doi.org/10.1002/small.202307410