过渡金属碲化物（Transition Metal Tellurides，简称TMTs）因其独特的电子结构和性质引起了研究人员的广泛关注。TMTs是一类由过渡金属和碲元素构成的化合物，其具有丰富的量子现象和电化学特性，因此被认为是理想的研究对象。然而，尽管TMTs具有如此的潜力和吸引力，但其研究相对较少。这部分是因为TMTs的制备方法受到了限制，尚未实现大规模、高效率的生产。目前主流的制备方法主要是通过自上而下的剥离法，例如球磨、液相剥离等，但这些方法存在着规模小、生产效率低和难以复制等问题。此外，一些传统的化学插层法也面临着实验条件苛刻、安全隐患大等挑战，限制了其在工业应用中的可行性。为了解决这些问题，科学家们开始寻求一种快速、可重复、规模化的TMTs合成方法。他们希望开发出一种简单、安全、高效的方法，能够从块状TMT晶体中快速制备出高质量的纳米片，以推动TMTs材料的研究和应用。

鉴于此，中国科学院金属研究所成会明院士、中国科学院大连化学物理研究所吴忠帅研究员、北京大学康宁副教授团队合作在Nature顶刊发题为“Metal telluride nanosheets by scalable solid lithiation and exfoliation”的研究论文。本研究致力于解决TMTs合成方法的瓶颈，提出了一种基于固态锂化和水解的新型合成方法。通过在短时间内将锂离子插入TMT晶体，并随后进行水解剥离，实现了从块状晶体到纳米片的快速转化。这一方法不仅快速、可重复，而且具有较高的可扩展性，可以实现百克级的纳米片生产。通过该方法制备的TMT纳米片不仅质量优良，而且具有广泛的应用潜力，例如在电化学领域的催化剂和电极方面。    

图1展示了固态锂化和剥离TMT纳米片的合成过程以及TMT墨水在不同应用中的效果。首先，在图1a中，研究者通过固态锂化和水解成功合成了TMT纳米片。图1b和1c展示了成功合成的NbTe₂纳米片与原始的块状晶体的对比。经过优化的合成方法，研究者成功地生产了108克的NbTe₂纳米片，并且在水介质中以1毫克/毫升的浓度分散均匀（图1d）。接着，图1e展示了从各种TMT纳米片的胶体分散液中制备的薄膜。而在图1f至1i中展示了使用NbTe₂墨水制备的不同结构，包括三维打印的支架、丝网印刷的DICP标志、以及光刻制备的高分辨率互指微电极。此外，图1j比较了不同方法合成TMT纳米片的效率和可扩展性，表明固态锂化和剥离方法具有最短的加工时间和最佳的可扩展性。这些结果表明，通过固态锂化和剥离方法，研究者成功合成了高质量、大规模的TMT纳米片，并且这些纳米片在水介质中分散均匀，适用于不同的应用。这种合成方法不仅速度快、可重复、安全，而且可以用于各种TMT材料的合成，为探索新的量子现象和开发新的应用提供了重要的基础。 

图1. 二维2D 过渡金属碲化物TMT纳米片的合成和TMT油墨的应用。

为了全面了解2D TMT（过渡金属碲化物）纳米片的形貌、尺寸分布和结构特征，研究者进行了扫描电子显微镜（SEM）和透射电子显微镜（TEM）等多种表征方法的研究。在图2中，SEM图像展示了MoTe₂、WTe₂、NbTe₂和TaTe₂纳米片的形貌，发现所有的TMT纳米片都具有微米级尺寸的薄片，平均侧向尺寸分别为3.5µm、2.9µm、6.2µm和3.1µm。此外，原子力显微镜（AFM）图像显示了纳米片的平均厚度分别为5.8、4.9、3.2和5.0nm。这些结果表明，利用固态锂化和水解方法可以快速、有效地制备出大尺寸、薄厚度的TMT纳米片，为其后续的研究和应用提供了基础。    

图2. 过渡金属碲化物TMT纳米片的形貌和拉曼表征。

在图3中，TEM图像展示了MoTe2、WTe2、Mo0.5W0.5Te2和NbTe2纳米片的晶体结构特征。通过高角度暗场扫描TEM（HAADF-STEM）观察到了MoTe2和WTe2纳米片中的近一维锯齿链结构，同时快速傅里叶变换（FFT）图像确认了1T'和Td相及其单晶性质。NbTe2纳米片的1T相通过原子分辨STEM图像验证，显示出主要的（003）和（020）面。此外，能谱分析图证实了MoTe2、WTe2、Mo0.5W0.5Te2和NbTe2纳米片中元素的均匀分布。这些结构特征为进一步探索TMT纳米片的电子性质、催化性能和应用提供了重要参考。    

图3: MoTe₂, WTe₂, Mo0.5W0.5Te₂和NbTe₂纳米片的结构表征。    

在图4中，他们选择了MoTe₂和WTe₂纳米片，并使用不同的厚度进行了电阻和磁场依赖性的研究。从图4a可以看出，在零磁场下，17.2纳米厚的MoTe₂纳米片在高温下表现出半金属特性，在低温下逐渐进入超导态。而在施加约0.5T的磁场后，电阻转变被抑制，显示出其磁场依赖性。图4b展示了厚度为3.1纳米的MoTe₂样品在不同磁场下的电阻特性，显示出与厚纳米片不同的电阻转变特征，这表明了厚度对电荷输运行为的影响。另外，WTe₂纳米片的磁场依赖性电阻在图4c中展示，显示出金属到绝缘态的转变以及极大的正磁电阻。

图4:剥离后的MoTe₂和WTe₂纳米片的传输特性。

在图5中，研究者展示了TMT纳米片在能源存储和电子器件中的应用潜力。通过将NbTe₂纳米片用作电催化剂，他们实现了高性能Li-O2电池的可逆Li2O2转化，并显示出优异的循环稳定性和倍率性能。Mo0.5W0.5Te₂纳米片在锂离子电池中表现出良好的储能性能，显示出高初容量和高倍率容量。此外，基于NbTe₂纳米片的柔性超级电容器和Mo0.5W0.5Te₂/CNT薄膜在电磁干扰屏蔽方面也展示出良好的性能，具有潜在的在未来电子设备中的应用前景。这些研究结果为进一步理解2D TMT纳米片的电子特性和应用潜力提供了重要线索，有助于推动该领域的发展。通过对纳米片的精细调控和功能化，可以实现更广泛的应用，如量子器件、催化剂、能源存储等，为未来电子技术的发展提供了新的可能性。    

图5. 固体锂插层剥离制备TMT纳米片的应用

总之，作者开发了一种通用的固态锂化和剥离方法，可以实现高质量TMT纳米片的百克级合成，有望彻底改变它们的商业制造方式。由于它们日益突出的重要性，未来预计会发现新的层状TMT大块晶体，而这种方法则为其纳米片的大规模生产打开了可能性。此外，这些纳米片具有优异的可加工性，可以形成各种墨水，用于制备膜、薄膜、纳米复合材料和异质结构，并结合先进的（微）制造技术，将加速基础研究的进行，并使其在包括但不限于拓扑电子学、催化、能源存储和柔性电子学在内的许多研究领域中得以应用。    

原文详情：

Zhang, L., Yang, Z., Feng, S. et al. Metal telluride nanosheets by scalable solid lithiation and exfoliation. Nature (2024). https://doi.org/10.1038/s41586-024-07209-2