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除了石墨烯Mxene，这119种层状材料均可化学剥离为二维片

自2004年，两位来自英国曼彻斯特大学的科学家用用透明胶带“撕”出了石墨烯后，2D材料研究迅速增长，原因是 2D 材料相对于其体积或重量具有较大的表面积；这产生了一系列物理现象和独特的特性，例如良好的导电性、高强度或耐热性。2D材料可通过自上而下（如机械剥离）和自下而上策略制备。机械剥离依赖于层间弱相互作用；化学剥离则作为其替代，通过化学反应形成多层片段。化学剥离在理论上比机械法更复杂，依赖于准确描述化学环境。由于涉及错综复杂的化学过程，因此通过计算筛选适合此类剥离的其他三维前体具有挑战性。

在此，林雪平大学的Johanna Rosen教授、Jonas Björk和Jie Zhou共同提出了一种理论方法，通过筛选适宜于选择性蚀刻的三维材料，预测在酸性条件下哪些材料可以通过化学剥离过程转化为二维材料。在分析了包含66643种三维材料的庞大数据库后，作者识别出了119种具有剥离潜力的候选材料。为了验证这一方法的有效性，作者挑选了一种与MAX相在结构和化学组成上差异显著的材料进行实验验证。通过选择性地蚀刻掉YRu 2Si 2中的Y元素，作者成功制备出了二维的Ru 2Si xO y材料。这一高效筛选方法揭示了化学剥离的二维材料具有广阔的空间。相关成果以“Two-dimensional materials by large-scale computations and chemical exfoliation of layered solids”为题发表在《Science》上。

图 1 概述了计算筛选算法。从(i) 块体材料清单开始，该方法包括(ii)拓扑筛选，选择由化学上被单种原子层（A 元素）分隔的二维单元组成的三维前驱体；(iii) 计算剥离、溶解过程和初始刻蚀步骤的热力学；以及 (iv) 评估衍生材料的动态稳定性。作者从材料数据库中的 66643 种三元化合物开始，筛选出 20084 种热力学稳定的三维材料。过滤掉含有放射性元素、镧系元素和惰性气体的材料后，还剩下 11057 种材料。拓扑筛选确定了 665 种层状化合物，其中 304 种表现出热力学上有利的化学剥离。通过评估初始蚀刻步骤中的竞争过程，最终确定了 136 种候选材料。最后，在评估了所得二维材料的动态稳定性后，作者的计算筛选预测了由 119 种不同的三维前体衍生出的 42 种不同二维材料的合成方案。

图 1.计算筛选方法示意图

剥离和溶剂化自由能

在图 2 的 A 和 B 中，分别绘制了无终止基团和有终止基团时的剥离自由能作为溶剂化自由能的函数。在图 2A 中，作者展示了符合第一条标准的材料，而在图 2B 中，作者确定了符合第二条标准的材料。作者发现85种材料符合第一个标准，63种材料符合第二个标准，235种材料符合第三个标准。总共有 304 种材料至少满足三个标准之一，随后进行下一步。

图 2.层状材料的剥落能和溶剂化自由能的比较

蚀刻和动态稳定性的初始步骤

对于 MAX 到 MXene 的剥离，最能准确评估选择性蚀刻可能性的描述符是通过比较去除 A 元素和 M 元素的形成自由能来考虑整个过程的最初步骤。如果前者为负值而后者为正值，则该材料被认为是可化学剥离的。受此启发，作者对已确定的 304 种三元材料进行了类似分析，这些材料的完全化学剥离至少满足上述的三个标准之一。结果如图 3 所示，作者将 A 元素的空位形成自由能与另外两个元素（标为 B 和 C）的最小空位形成自由能进行了比较。在三元材料中，有 136 种处于预测只有 A 元素会被蚀刻的区域。对于这些材料，预计蚀刻最容易通过移除 A 元素开始。在符合第一和第二项标准的 85 种材料和 63 种材料中，分别有 80 种和 48 种材料的蚀刻是在 A 位点上开始的，而在符合第三项标准的 235 种材料中，只有 70 种材料的蚀刻是在 A 位点上开始的。

图 3A 列出了预计在 A 元素位点上开始高频蚀刻的三维化合物的其他信息。对于每种化合物，作者都评估了具有最负剥离自由能的相应二维材料的动态稳定性。如图 3B ，在剩余的 136 种三维前驱体中，119 种被预测为可产生42种不同的动态稳定二维材料。对于所有预测的二维材料，作者都计算了其电子结构特性，并展示了一系列特征，包括金属、半金属、潜在拓扑导体和半导体。

图 3.化学去角质的初始步骤，由空位形成自由能证明

实验验证

三维 YRu 2Si 2 前驱体是通过元素粉末的固态反应制备的。为了便于在相对较低的温度下合成YRu 2Si 2 并防止晶粒异常生长，作者在合成过程中加入了铟颗粒充当熔融助熔剂。图 4A 显示了标称成分为 YRu 2Si 2 的样品的 X 射线衍射（XRD）图（红色曲线）。合成的粉末主要是单相 YRu 2Si 2（93.8 wt %），含有少量二元 RuSi（6.2 wt %）合金杂质。通过使用 20 wt % 的氢氟酸水溶液对 YRu 2Si 2 进行化学剥离。蚀刻粉末的相应 XRD 结果如图 4A（蓝色曲线）所示，其中三维 YRu 2Si 2 对应的峰强度在高频处理后大幅下降。新的低角度（000l）峰的形成让人联想到在高频中通过化学剥离 MAX 相而产生的 MXenes 的现象。高频处理后 YRu 2Si 2 的扫描电镜图像（图 4B）证实了单个晶粒沿基底面剥离的现象。图 4C 显示了蚀刻晶粒典型部分的扫描透射电子显微镜（STEM）图像概览，其中可见蚀刻粉末的少层形态和片状分离。

图 4 YRu2Si2 在 HF 水溶液中的化学剥离

小结

作者开发了一种计算筛选算法，旨在识别能够在酸性条件下通过选择性蚀刻转化为二维材料的层状三维化合物。这项初步工作展示了一种通用方法来预测化学剥离生成的二维材料，并指出实现这些预测可能需要定制化的化学方法。尽管研究主要关注在氢氟酸中的蚀刻过程，但该算法有望适应其他蚀刻剂，通过调整化学势进行修改。作者还提出通过扩大数据源和考虑更广泛的材料类型来增强二维材料的探索。基于MXenes的启示，随着研究的深入，选择性蚀刻生成的二维材料有望在未来的先进材料和技术发展中发挥关键作用。

来源：高分子科学前沿

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