單原子層二維材料Xenes發展歷程及進展梳理

自2004年石墨烯被首次制得以來，二維（2D）材料越來越受到研究者的關注，其令人矚目的物理化學性質，更成為了國際材料科學研究的前沿焦點，在凝聚態物理，材料科學，化學和納米技術領域呈指數增長。近幾年，除石墨烯以外Mxenes、Organic materials、TMD、Nitrides以及各種和C鄰近的B，Si，P，Ge，Sn等元素的單原子層二維材料被提出和制備，這一系列材料稱為Xenes（單原子層單質二維材料），大大地拓展了二維材料家族的成員。這些超薄的二維材料，和石墨烯一樣，具有和體相材料截然不同的新性能。

單層二維材料的表面原子幾乎完全裸露，相比于體相材料，原子利用率大大提高。通過厚度控制和元素摻雜，就可以更加容易地調控能帶結構和電學特性，譬如硅烯(silicene)和磷烯(phosphorene)。二維材料概括起來，其主要有以下3個優勢：

更利于化學修飾，可以調控催化和電學性能；更利于電子傳遞，有利于電子器件性能的提升；柔性和透明度高，在可穿戴智能器件、柔性儲能器件等領域前景誘人。今天我們來認識一下Xenes

2D Xenes?發展歷程

硅烯（silicene）

硅烯是二維X-烯的新生代表，六元環中三個硅原子與其余三個分處在具有垂直位移的兩個水平平面上，即存在豎直方向上的位移。單層硅烯器件表現出與相同單層石墨烯器件相似的電輸運特性，但具有更高的柵極調制和電學性能多樣性（比如拓撲相變開關器件）。更可觀的是，作為當今主流半導體材料單晶硅的同素異形體，具有其它二維材料難以企及的無縫兼容優勢。

研究歷程：

2012年柏林工業大學的Patrick Vogt教授首次理論預測硅烯具有類石墨烯的材料物理性能；(Phys. Rev. Lett., 2012, 108, 155501.)

2012年北京大學呂勁教授團隊首次理論預測硅烯具有可調控帶隙；(Nano Lett., 2012, 12, 113–118.)

2012年中科院物理所吳克輝教授團隊首次理論預測了硅烯的狄拉克費米子；(Phys. Rev. Lett., 2012, 109, 056804.)

2012年意大利米蘭大學的Daniele Chiappe、Alessandro Molle 教授使用STM（掃描隧道電鏡）實驗研究銀111外延生長硅烯的原子及電子結構的先鋒工作；(Adv. Mater., 2012, 24, 5088–5093.)

2015年美國德克薩斯大學奧斯汀分校Deji Akinwande聯合意大利米蘭大學的Daniele Chiappe、Alessandro Molle 教授首次制備及實驗觀測硅烯場效應晶體管并實驗證實了狄拉克費米子的存在。(Nat.Nanotechnol., 2015, 10, 227–231.)

近期研究成果：

硅烯與六方氮化硼的范德華積分

硅烯是石墨烯的硅類似物，由原子彎曲的蜂窩狀硅原子晶格組成。理論預測了異常的電子性質，包括狄拉克費米子和拓撲自旋霍爾絕緣體相。在電子器件中，硅烯的化學敏感性是阻礙此類性質探索的一個重要障礙，它阻礙了硅烯在層堆中的結合。荷蘭特溫特大學M. P. de Jong教授實驗結果表明，外延硅烯和六方氮化硼具有良好的導電性能，(h-BN)可以疊加而不影響硅烯的電子性質。通過在室溫下沉積硅原子，在ZrB2(0001)襯底外延h-BN的下面插入硅烯。利用(角分辨)光電子能譜(ARPES, PES)和掃描隧道顯微鏡(STM)，我們發現夾層硅在ZrB₂上表現出與外延硅相同的電子性質，在空氣中抗氧化長達數小時。這是向允許設備制造的層棧發展的重要一步。相關研究以“Van der Waals integration of silicene and hexagonal boron nitride”為題目，發表在2D Materials上。

文獻鏈接：https://doi.org/10.1088/2053-1583/ab0a29.

ZrB₂表面的STM圖像

濕化學剝離合成硅烯及作為生物降解的腫瘤納米藥物

硅基生物材料在生物醫學工程中發揮著不可替代的作用，然而，由于缺乏硅的固有功能，硅基納米材料的應用在很大程度上僅限于作為藥物傳遞系統的載體。同時，硅基生物材料作為典型的無機材料，其固有的較差的生物降解性也阻礙了其在體內的生物醫學應用和臨床轉化。近期來自中科院的陳雨、施劍林教授通過對二維硅碳納米片的合理設計和濕法化學剝離合成，將傳統的0D納米體系轉化為2D材料體系：硅碳納米片（SNSs），其具有光激發治療和診斷成像的有趣的物理化學性質，以及非常有利的生物相容性和生物降解的生物學效應。結合基于DFT的分子動力學(MD)計算，探討了在特定的模擬生理條件下，硅烯與生物環境相互作用的潛在機制及其降解行為。相關研究以“Silicene: Wet-Chemical Exfoliation Synthesis and Biodegradable Tumor Nanomedicine”為題目，發表在AM上。

文獻鏈接：Adv. Mater. 2019, 1903013.

二維硅烯納米片的合成與表征

磷烯（phosphorene）

磷烯（Phosphorene）又稱黑磷烯或二維黑磷，是一種從黑磷剝離出來的有序磷原子構成的、單原子層的、有直接帶隙的二維半導體材料。與石墨烯相比，磷烯具有折疊結構，對稱性降低，從而產生兩個各向異性的平面內方向磷烯在場效應晶體管、光電子器件、自旋電子學、氣體傳感器及太陽能電池等方面有著的廣闊的應用前景。

研究歷程：

2014年中科大學陳仙輝教授課題組與復旦大學張遠波教授課題組合作，首次報道了一種具有幾納米厚的二維黑磷場效應晶體管；(Nature Nanotechnology,9(5),372-377.)

2014年人大季威教授研究組首次使用理論計算對多層黑磷材料的幾何和電子結構進行了系統研究；(Nature communications,5(1). DOI:10.1038/ncomms5475.)

2015年華科大吳夢昊及其合作者通過理論研究，指出了方形和五邊形可以和三配位磷原子的最優結構很好匹配，形態穩定；（Nano Letters,15(5),3557-3562.）

2015年陳仙輝教授研究組與張遠波教授課題通過強磁場下電阻的量子振蕩現象首次在黑磷中被成功觀測到；（Nature Nanotechnology 10, 613-618 (2015).）

2015年中國科學院喻學鋒課題組與香港城市大學朱劍豪教授、深圳大學張晗教授合作，采用液態剝離法，可控制備橫向尺寸約為2.6 nm的單原子層厚度超小黑磷量子點；（Angew.54(39),11526-11530.）

2016年東南大學王金蘭教授課題組基于原子尺度的理論計算，首次從理論上給出了少數層黑磷在環境中發生降解的完整機制；（Advanced Materials,28(42),9408-9415.）

2016年復旦大學張遠波教授課題組與美國加州大學伯克利分校王楓教授課題組等完成少層黑磷能帶結構演變的研究，實驗上首次證明了黑磷的直接帶隙特性。（Nature Nanotechnology,12(1),21-25.）

2016年美國西北大學的Hersam等人以黑磷為原料，以重氮苯衍生物為鈍化和保護性溶劑的方法，成功制備二維超薄磷烯。（Nature?chem.,2016,8,597-602.）

近期成果：

原位TEM觀測黑磷烯界面鈉離子傳輸及電化學反應

對于可充電電池而言，電極材料中的離子傳輸是控制電池速率能力和能量效率的關鍵過程。盡管進行了大量的研究，但對固體電極間的界面離子傳輸和電化學反應的原子性觀察仍然缺乏。東南大學的孫立濤、徐峰教授聯合北京大學的高鵬教授等人利用原位透射電子顯微鏡(TEM)來動態觀察鈉離子在單晶納米結構內和不同的磷烯納米薄片之間的遷移。實時直接觀察到少量磷烯之間不受阻礙且可逆的離子穿梭。此外，鈉離子的輸運動力學與界面取向密切相關，固體電極間的密切接觸對抑制枝晶的生長有重要作用。通過快利用約40ms的透射電鏡成像，觀察到磷烯中獨特的帶狀鈉離子輸運行為，揭示了原子空間分辨率下界面上鈉離子的多種輸運途徑。相關研究以“In Situ Visualization of Interfacial Sodium Transport and Electrochemistry between Few-Layer Phosphorene”為題目發表在Small Methods 上。

文獻鏈接：Small Methods 2019, 1900061.

磷烯納米薄片的結構表征

黑磷基軟電化學驅動器在生物傳感的應用

基于師法自然的仿生智能材料一直是先進材料領域的前沿課題之一。在快速響應時間和潛在的工程應用中，電極材料和結構限制了離子的擴散和積累過程，實現大變形的主要挑戰仍然存在。南京工業大學陳蘇教授等提出了一種基于共價橋接的黑磷/碳納米管的新型電化學驅動器，該驅動器具有較高的機電性能和仿生應用價值，包括低功耗/應變(0.04 W cm ^-2 % ^-1)、大峰值應變(1.67%)、受控頻率響應(0.1-20 Hz)、快應變和應力速率(11.57 % s^-1; 28.48 MPa s^?1)，高能量/功率密度(29.11 kW m^?3；8.48 kJ m^?3)，良好的循環穩定性(50萬次)。高性能的關鍵來自于具有有序層狀結構的層次結構材料、高氧化還原活性和離子的電化學電容，它們具有平滑的擴散和調節，這將指導下一代電化學執行器的實質性進展。相關研究以“High-Performance Hierarchical Black-Phosphorous-Based Soft Electrochemical Actuators in Bioinspired Applications”為題目，發表在AM上。

文獻鏈接：Adv. Mater. 2019, 1806492.

BP-CNTs的合成與結構表征

硼烯（borophene）

硼烯是指由硼元素構成的二維平面結構，獨特的二維六角蜂窩狀結構賦予其狄拉克錐的能帶結構和新奇量子效應。與石墨烯不同的是，硼烯最早并不是誕生在實驗室，而是在計算機里。理論計算表明，由于電子的缺失，自由狀態下蜂窩狀硼烯并不能穩定存在。研究人員已經制備出幾種平面硼簇，但純硼的平面網格結構至今仍然難以制備。

研究歷程：

2014年南開大學周向鋒教授、王慧田教授和紐約州立大學石溪分校奧甘諾夫教授等基于進化算法結合第一性原理計算，預測了一個獨特的二維硼結構；(Phys. Rev. Lett. 2014,112, 085502)

2014年布朗大學的Lai-Sheng Wang聯合清華大學的Jun Li教授團隊合成了平面六角B₃₆，命名為硼烯；（Nat.?Commun. 2014, 5, 3113.）

2015年紐約州立大學石溪大學的Artem R. Oganov等人利用高真空原子濺射的方法，首次在銀的表面上成功制備出了只有一個原子厚度的硼材料；（Sciecce.2015,350,1513-1516.）

2015年南航臺國安教授的研究團隊在銅箔基底上成功制備出了二維硼單層材料；（Angew.2015，54，15473-15477.）

2017年東京大學的Iwao Matsuda教授團隊在硼烯中發現狄拉克費米子。（Phys. Rev. Lett. 2017, 118, 096401.）

近期成果：

以Cu(111)表面為襯底的大面積單晶薄片狀硼烯

使用低能電子顯微鏡、衍射和掃描隧道顯微鏡進行原位監測下硼烯的合成，并用ab?initio理論進行了模擬。美國耶魯大學的Adrian Gozar研究員解析了Ag(111)上生長的硼烯的晶體結構和相圖，發現在所有的生長條件下，疇均保持在納米尺度。然而，本次通過在Cu(111)表面上生長硼烯，得到了尺寸高達100μm²的單晶疇，進而發現硼烯的晶體結構為新奇的三角網絡，且存在濃度為1/5的六角空位。通過實驗數據結合第一性原理計算，推斷存在著與襯底耦合的電荷轉移，并無明顯的共價鍵生成。該工作為制備基于硼烯的器件做了鋪墊，并證實了硼烯確實可作為人造二維材料的開發模型。相關研究以“Large-area single-crystal sheets of borophene on Cu(111) surfaces”為題目，發表在Nature Nanotechnology上。

文獻鏈接：DOI: 10.1038/s41565-018-0317-6

生長于Cu (111)表面的硼烯生長動力學

在Au(111)上合成硼烯

硼烯是硼基化學的一個突破性研究，更廣泛地應用于低維材料領域。對硼烯生長相空間的探索是至關重要的，因為硼烯是一種合成的2D材料，它沒有與之對應的塊狀層狀結構，因此不能通過剝離法分離出來。阿貢國家實驗室的Nathan P. Guisinger教授聯合西北大學Mark C. Hersam教授等報道了在Au(111)襯底上合成硼烯的方法。與之前研究的生長在Ag基板上不同，硼在高溫下擴散到Au中，并在基板冷卻時分離到表面形成的硼烯。這些觀察結果是由間隙硼擴散到金晶格的從ab initio模型支持的。合成的硼烯還可以修飾Au(111)襯底的表面重建，導致模板在低覆蓋率下生長三角形網絡。這種初始生長是由離散的硼烯納米團簇組成，其形狀和大小與理論預測一致。隨著硼濃度的增加，納米模板被破壞，并觀察到較大的硼烯。光譜測量表明，生長的Au(111)上的硼烯具有金屬電子結構，在二維等離子體、超導性、互連、電極和透明導體方面具有潛在的應用前景。相關研究以“Borophene Synthesis on Au(111)”為題目，發表在ACS NANO上。

文獻鏈接：ACS Nano 2019, 13, 3816-3822.

Au(111)上的STM圖像及硼烯建模研究

銻烯（antimonene）

銻烯是一種新型二維材料，由第五主族(氮族)元素銻構成。第一性原理計算預測銻烯具有強的穩定性和優異的光電性能。單層銻烯為間接帶隙半導體，其具有高載流子遷移率、優異的導熱性，通過應變誘導還可以實現間接帶隙到直接帶隙的轉變。

研究歷程：

2015年南京理工大學曾海波課題組等人理論預測出寬帶隙且穩定性好的銻烯材料；（Angew. 2015, 54, 3112-3115.）

2016年南京理工大學曾海波課題組等人理論預測了銻烯的電子遷移率；(Angew. 2016, 55, 1666-1669.)

2016年西班牙馬德里自治大學Julio Gómez-Herrero等人首先通過機械剝離的方法得到了單層的銻烯；(Adv.?Mater. 2016, 28, 6332.)

2016年中國科學院物理研究所高鴻鈞院士等人制備具有原子級平整界面的二維材料異質結構。(Adv. Mater. 2017, 1605407.)

近期成果：

由非磁性摻雜誘導二維銻烯的高溫鐵磁性

目前發現的二維磁性材料，其居里溫度相對較低，難以滿足實際應用的問題。非磁性摻雜可產生具有大自旋交換硬度常數以及關聯長度的sp電子磁性，從而誘導高溫鐵磁性。二維材料銻烯具有sp價電子以及強自旋-軌道相互作用，將其中引入非磁性sp電子雜質則有望實現高居里溫度的二維鐵磁材料，在后摩爾時代展現潛在的應用。深圳大學的張晗教授團隊與曾昱嘉教授團隊合作，提出在二維材料銻烯中摻入氟原子誘導高溫鐵磁性。氟化銻烯的制備方法沿用了之前提出的電化學剝離與同步氟化制備氟化磷烯的方法，所制備的氟化銻烯尺寸在0.3–2.0 μm、厚度在1.5–5.0 nm之間，其氟化程度可通過電解液濃度進行調控。相關研究以“Robust Above-Room-Temperature Ferromagnetism in Few-Layer Antimonene Triggered by Nonmagnetic Adatoms”為題目，發表在AFM上。

文獻鏈接：DOI: 10.1002/adfm.201808746

氟化銻烯和銻烯的磁性能

通過界面設計，調節銻烯外延原子結構

銻烯是一種新型的半導體材料，具有良好的穩定性和基帶隙。然而，晶圓級單晶層銻烯的外延生長仍然是一個艱巨的挑戰。南京理工大學曾海波、Shengli Zhang和Harald Fuchs教授選擇Cu(111)和Cu(110)作為底物，通過分子束外延(MBE)制備高質量的單晶銻烯。表面合金在兩種基材上沉積和鍍錫后自發形成，這兩種基材具有不同晶格常數的三重和兩重的對稱性。通過掃描隧道顯微鏡觀察到兩種類型的銻烯原子的外延生長，它們都表現為六邊形晶格，但晶格常數存在顯著差異。掃描隧道光譜測量揭示了應變誘導的可調諧帶隙，與第一原理計算一致。結果表明，外延生長的銻烯在不同的襯底上可以通過襯底誘導的應變和應力來調整這些薄膜的電子性能。相關研究以“Modulating Epitaxial Atomic Structure of Antimonene through Interface Design”為題目，發表在AM上。

文獻鏈接：DOI: 10.1002/adma.201902606

Cu(111)及Cu(110)上生成的銻烯電子結構

錫烯（stanene）

理論計算表明錫烯是一種大能隙的量子自旋霍爾效應絕緣體,還能夠轉化為二維的拓撲超導體.錫烯晶體在電子無耗散輸運、自旋流產生、高性能熱電、光電器件、拓撲量子計算等方面都具有重要的潛在應用價值.

研究歷程：

2013年斯坦福大學張守晟教授團隊預測烯錫可能會成為世界上第一種能在常溫下達到100%導電率的超級材料；(Physicial Review Letters, 2013, 111(13), 136804.)

2015年上海交通大學錢冬教授和賈金鋒教授等人利用分子束外延生長技術構筑了錫烯二維晶體薄膜。第一次理論上預測的材料被證明存在；(Nature Materials. 2015,14, 1020–1025.)

2018年中科大王兵教授和趙愛迪副教授研究團隊聯合清華大學斯坦福大學，成功制備出具有純平蜂窩結構的單層錫烯，并結合第一性原理計算證實了其存在拓撲能帶反轉及拓撲邊界態。(Nature Materials: https://doi.org/10.1038/s41563-018-0203-5.）

2018年清華大學物理系張定助理教授、徐勇助理教授和薛其坤教授研究團隊報道了薄至兩個原子層厚度的錫烯中，首次發現了二維超導電性，并揭示了其拓撲非平庸物性。(Nature Physics. 2018, 14,?344–348.)

近期成果：

在拓撲絕緣體襯底上大規模生產單晶錫烯的動力學研究

鄭州大學的李順方教授、賈瑜教授和中科大學崔萍教授、張振宇教授采用基于密度泛函理論的第一性原理計算方法探索基于Bi₂Te₃(111)襯底的錫烯生長機制，理論計算結果證明，在Bi₂Te₃(111)表面上生長錫烯的初始階段中，沉積在襯底表面的Sn原子之間表現出明顯的排斥作用。另外，在該種生長模式下生長的錫烯將會有至少兩個能量上幾乎簡并的結構相，從而導致這兩種結構在縫合處將會形成多種晶界，從而在理論上完美解釋清楚了在Bi₂Te₃(111)襯底上生長錫烯單晶性較差的物理原因。更重要的是，理論計算表明，采用Bi₂Te₃(111)上先長一層Bi(111)單原子層厚的薄膜作為襯底(Bi-Bi₂Te₃(111) )，沉積的Sn原子將彼此吸引成核，并長出唯一的一個穩定結構相，從而有利于單晶錫烯的生長。該理論計算工作結合相關實驗，揭示了實現大規模生產高品質錫烯的動力學途徑和潛在應用價值。相關研究以“Kinetic pathways towards mass production of single crystalline stanene on topological insulator substrates”為題目，發表在Nanoscale上。

文獻鏈接：Nanoscale, 2018,10, 18988-18994.

Te-Bi₂Te₃(111)、Bi-Bi₂Te₃(111)上的高對稱性Sn吸附位點，吸附能，及擴散路徑

界面工程實現應變錫烯

錫烯是一種理想的大能隙二維拓撲絕緣體，有望實現室溫量子自旋霍爾效應，在自旋電子學器件應用方面具有重大的意義。北航的郝維昌教授聯合大連理工大學的趙紀軍團隊，以及中科院高能物理研究所的王嘉鷗團隊合作利用分子束外延生長成功制備出了具有翹曲結構的單層錫烯，掃描隧道譜（STS）顯示去合金化的二維錫烯仍具有一定金屬性的電子結構。通過和合金相的拉曼光譜結果對比，錫烯獨有的面內E_2g和面外oTO振動模式充分表明了其二維特性。結合第一原理計算，細致研究了錫原子在Au(111)單晶上“合金化-去合金化”的結構演變，并首次深入研究了晶格內應力對二維錫烯的聲子振動模式的調制。相關研究以“Realization of Strained Stanene by Interface Engineering”為題目，發表在The Journal of Physical Chemistry Letters上。

文獻鏈接：J. Phys. Chem. Lett. 2019, 10, 1558-1565.

a與b,二維錫烯的大尺度及原子尺度形貌圖；c,STS譜；d與e,錫實驗及模擬LEED圖；f,Raman譜；g,原子結構模型；h,電荷差分密度圖；i,振動態密度圖

鍺烯（germanene）

鍺烯是一種由鍺衍生的二維原子晶體材料因其單原子厚度的平面晶體結構，豐富和獨特的物理，化學特性以及潛在的巨大應用價值成為近年來世界科技界的研究熱點。作為石墨烯的鍺基對應物，已有理論預言其存在的可能性和類似于石墨烯的優異性能。

研究歷程：

2009年理論研究證明自由狀態的單層起伏的鍺蜂窩狀結構可以穩定存在；(Phys. Rev. Lett. 2009,?102, 236804.)

2011年起伏的鍺烯蜂窩結構具有量子自旋霍爾效應的性質；(Phys. Rev. Lett. 2011, 107, 076802.)

2013年通過摻雜，鍺烯高溫超導性質被預測出來；(arXiv:2013, 1309.2242.)

2014年中科院物理所高鴻鈞院士等人合作成功制備出鍺的二維蜂窩狀結構，首次實驗上驗證了“單層起伏的鍺蜂窩狀結構可以穩定存在”的理論預言;（Adv. Mater.,?2014,?26,?4820.）

2017年首次在Cu(111)基底上成功制備出雙層鍺烯，并開展了結構特性研究。（Adv. Mater.,?2017, 29, 1606046.）

近期成果：

堿金屬芳烴作為分層2D 鍺烯修飾的通用合成工具

布拉格化學與技術大學Zdenek Sofer教授團隊使用鍺烷（Ge6H6）作為穩定且易于獲得的起始材料，用于合成新型的鍺烯衍生物，并提出了鍺烯化學的新方法。提出了一種利用強堿-堿金屬芳烴化合物用于鍺烷的去質子化，隨后用對硝基芐基溴進行官能化的方法，并通過紅外、拉曼和XPS以及XRD分析證實鍺烯的功能化。此外，還研究了堿金屬（Li，Na，K和Cs）還原萘提供堿金屬萘的能力，并探索了聯苯、蒽等其他芳烴在與鈉反應時形成化合物的能力。相關研究以“Alkali Metal Arenides as a Universal Synthetic Tool for Layered 2D Germanene Modification”為題目，發表在Angew.上。

文獻鏈接：Angew. Chem. Int. Ed. 2019, 58, 1–7.

Ge-H脫質子和烷基化

鍺烯熒光涂層用于微機械多路復用的微型機器人

微型機器處于材料研究的前沿，因為它們是自我推進的、智能自主系統，能夠充當智能物質。但目前面臨的一個障礙是跟蹤攜帶分子貨物的微型機器。捷克布爾諾科技大學Martin Pumera教授研究了基于化學修飾的二維鍺烯衍生物的高穩定性熒光標記。兩種不同的2D鍺衍生物：4-氟苯基鍺(2D-Ph-Ge)和甲基鍺(2D-Me-Ge)，在紫外光照射下表現出不同的熒光特征，這使得在混合微電機中很容易被識別出來。為自驅動微機械的多路檢測提供了一個范例。并且在藥物傳遞系統上進行了演示，攜帶藥物的微型機器上用2D-Ph-Ge標記藍色發射，而微機械上用2D-Me-Ge標記紅色發射。這種功能熒光標記方法將為在復雜環境中實現多臺同時功能化的微機器識別奠定基礎。相關研究以“Functional 2D Germanene Fluorescent Coating of Microrobots for Micromachines Multiplexing”為題目，發表在Small上。

文獻鏈接：Small 2019, 1902365.

利用二維鍺烯衍生物對管狀微機器人進行功能化

雙金屬烯（bimetallene）

雙金屬烯（bimetallene）:一類新型的亞納米厚且高度卷曲的雙金屬納米片；鑒于其結構類似于石墨烯及以往報道（Nature Communication 2014, 5, 3093），簡稱為“雙金屬烯”

PdMo雙金屬烯用于氧還原催化

2019年，北京大學郭少軍教授課題組制備了一種高度卷曲、亞納米厚的雙金屬鈀鉬（PdMo）合金納米片材料，由于這種材料結構類似于石墨烯，研究者將其命名為“雙金屬烯（bimetallene）”。PdMo雙金屬烯是堿性電解質中ORR和OER的高效、穩定的電催化劑，可提升鋅-空氣電池和鋰-空氣電池的性能。PdMo雙金屬片的薄層結構可實現很高的電化學活性表面積（138.7 m²/g Pd）以及高原子利用率，在堿性電解質中催化ORR時，相對于可逆氫電極，PdMo雙金屬烯能在0.9V電位達到16.37?A/mg Pd的電流密度。該質量比活性分別是工業Pt/C和Pd/C催化劑的78倍和327倍，在30000次循環后幾乎沒有衰減。密度泛函理論計算表明，合金效應、彎曲幾何引起的應變效應和薄片厚度引起的量子尺寸效應可以調節電子結構，從而優化催化劑表面氧結合。相關研究以“PdMo bimetallene for oxygen reduction catalysis?”為題目，發表在Nature上。

文獻鏈接：Nature, 2019, 574, 81-85, DOI: 10.1038/s41586-019-1603-7.

PdMo雙金屬烯的形貌、結構和組成表征

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