科研进展|上科大物质学院齐彦鹏课题组与合作者在高熵二维范德华材料研究中取得进展

时间:2021-09-28浏览:10设置

高熵材料是一类由多种元素以等摩尔比或近等摩尔比组成的新型多组元材料。高熵材料打破了传统的材料设计理念,表现出许多不同于传统材料的结构和物性。自从2004年在合金中首次实现高熵化,全世界掀起了研究高熵材料的热潮。另一方面,以石墨烯为代表的层间弱结合---范德华结合的二维材料,以其解离、转角、堆垛等多重自由度,展现出三维材料中不具有的独特性能,为材料研究开辟新舞台。

近期,上海科技大学物质学院齐彦鹏课题组与日本东京工业大学应天平博士、细野秀雄荣誉教授等人合作,结合二维材料和高熵材料的优点,首次提出高熵二维范德华材料(HEX)概念,成功合成了16种全新的高熵二维材料,并在这些新材料中发现了超导电性、金属绝缘体转变、磁有序以及优异的化学稳定性等丰富的物理化学性质。这项研究成果以“High-Entropy van der Waals Materials Formed from Mixed Metal Dichalcogenides, Halides, and Phosphorus Trisulfides“ 为题发表于知名学术期刊《Journal of the American Chemical Society》。

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图1 高熵二维范德华材料的设计思路

迄今为止,在高熵材料的研究主要围绕具有三维晶体结构的材料展开,而本项研究使得高熵材料的研究推广到二维范德华材料。如图1所示,高熵二维范德华材料(HEX)不仅在化学成分,还在电荷(charge)、自旋(spin)、层数(layer)、角度(angle)等许多自由度可以调控,有望拓展高熵材料的研究领域并发现新现象。

研究团队选择过渡金属二硫化物、卤化物、磷三硫化物三种典型的二维范德华材料为研究对象,将4-6种过渡金属等量混合,得到均匀的高熵二维范德华材料(HEX)。通过常规的固相合成或者气相输运的方法,研究团队成功合成了多达16种新的二维高熵材料。图2为生长的毫米级的高熵二维范德华材料单晶样品,详细研究表明金属分布均匀,并且易于插层和解离。高熵二维范德华材料表现出超导电性、磁有序、金属-绝缘体转变等丰富的物理化学性质,特别是发现其对酸和碱溶液的耐久性明显改善(图3)。

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图2 高熵二维范德华材料的结构、解离和插层

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图3 高熵二维范德华材料的物理性能和潜在应用
展望:研究团队把高熵材料和二维材料相结合,提出了高熵二维范德华材料(HEX)的概念,这极大的拓展了材料的探索空间,此外,高熵二维范德华材料(HEX)结合高熵和二维材料的优点,在多种机制的耦合作用下,不仅表现出优异的物理化学性质,并且在催化、储能、电池等领域有广泛的应用前景。

    应天平博士(现为中科院物理所特聘研究员)为该论文的第一作者,应天平博士、齐彦鹏助理教授、细野秀雄教授为通讯作者。该工作的作者还包括于同旭博士、夏佑贤博士、李江博士和李昌华。以上研究得到了国家重点研发计划、国家自然科学基金、上海市自然基金和上科大物质学院分析测试中心的大力支持。


论文链接:

https://pubs.acs.org/doi/10.1021/jacs.1c01580

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