林雪平大学团队打造可被剥离的金烯，有望带来催化应用

来源：DeepTech深科技

自 2000 年起，瑞典林雪平大学拉尔斯·霍特曼（Lars Hultman）教授和团队开始研究一种过渡金属碳化物（MAX 相）Ti3SiC2。

Ti3SiC2 是 MAX 相大家族的成员（M 是过渡金属，A 是元素周期表中的 A 族元素，X 是 C 和/或 N）。

通过此，该课题组提出了制备高质量单晶薄膜材料的方法，该材料具有像陶瓷一样的稳定性，并且像金属一样具有导电性和延展性。关于这一成果的相关论文已于 2002 年发表。

历经几代研究生的探索之后，拉尔斯·霍特曼和几名团队成员，成为了 MXene（几个原子层厚度的过渡金属碳化物）的共同发明者。

对于 MXene 来说，如果 A 层（Si）被蚀刻掉，碳化物薄膜就可以被剥离[1]。关于这一工作的相关论文，则于 2011 年发表在 Advanced Materials ，目前已被引用 8900 多次。

几年后，课题组计划在 Ti3SiC2 上制备电学接触，并首先尝试使用 Au。 

然而这个实验以失败告知，因为 Au 吸收了所有的 Si，Si 被氧化从而会导致材料绝缘。

但是，为了观察 Ti3SiC2 的完整性，该团队使用电子显微镜，来观察横截面时发现：所有 Si 原子层可能都消失了，转而出现了 Au 的原子层。

因此，Si 和 Au 之间存在交换插层过程，由此他们产生了新的想法。2016 年，该课题组通过在 Ti3SiC2 中嵌入 Au 成功制备了 Ti3AuC2。

通过相互扩散的过程，Au 取代了天然纳米层压陶瓷中的 Si，在化合物内形成了 Au 原子片。2017 年，相关论文发表于 Nature Materials[2]。

受此启发，霍特曼教授于 2019 年将制备 MXene 的概念加以反转，即通过蚀刻 MAX 相薄膜中的 M 和 X（Ti3C2）层，释放出单原子厚度的 A（Au）层。

图 | 石宇辰（来源：石宇辰）

其中一名审稿人指出：“这项工作的新颖性是双重的。”

首先，传统做法主要涉及在 MAX 相中 A 层的选择性刻蚀，这使得 MAX 中 MX 的选择性刻蚀成为一种新颖的方法。

其次，创造出可剥离的金烯本身就代表了这项研究的前沿性。

（来源：Nature Synthesis）

总的来说，本次成果能够带来一些潜在的催化应用中。

课题组最希望实现的应用目标是电催化制氢，即利用金烯的高表面积、高体积比、以及丰富的不饱和原子的优势，以最少的 Au 资源消耗实现更强的催化活性。

此外，像 Au 纳米颗粒一样的是，金烯在生物传感、靶向治疗等领域也具备一定的应用前景。

需要注意的是，本次制备方法采用铁氰化钾作为碱性溶液，这意味着氰化物离子被限制在铁氰化钾分子中，并且不会被释放。

由于铁氰化钾在酸性条件下，会生成剧毒氰化氢气体，因此他们提前加入了氢氧化钾，使溶液始终保持为碱性。

另外，铁氰化钾本身对水生生物有毒，所以需要小心处理。

值得注意的是，许多材料生产中的蚀刻工艺，常常会使用剧毒有害的化学物质，例如氢氟酸。而铁氰化钾的毒性相对来说要小得多。

此外，由于制备金烯的关键之一是碱性铁氰化钾的高度稀释（百分之一或更低的浓度），因此铁氰化钾的使用量必须尽可能地少。

而在后续，他们将探索金烯的基本特性，并进一步优化合成工艺，以增加金烯的面积和产量。

此外，他们也打算使用本次合成方法，来剥离 Au 以外的其他二维贵金属的原子片。

参考资料：

1.Two-Dimensional Nanocrystals Produced by Exfoliation of TbAIC2, Michael Naguib, M. Kurtoglu, Volker Presser, J. Lu, J. Niu, M. Heon, L. Hultman, Y. Gogotsi, M.W. Barsoum, Advanced Materials 23 （2011） 4248.

2.Synthesis of Ti3AuC2, Ti3Au2C2, Ti3lrC2 by noble-metal substitution in Ti3SiC2, H.Fashandi, M.Dahlqvist, J.Lu, J.Palisaitis, S.Simak, I.Abrikosov, J.Rosen, L.Hultman, M.Andersson, A.L-Spetz, P.Eklund Nature Materials 16 （2017） 814）

3.Kashiwaya, S., Shi, Y., Lu, J.et al. Synthesis of goldene comprising single-atom layer gold. Nat. Synth 3, 744–751 (2024). https://doi.org/10.1038/s44160-024-00518-4

运营/排版：何晨龙