新型化学剪刀将过渡金属二卤化物剪成纳

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本文参加百家号#科学了不起#系列征文赛。氢气具有清洁环保的特点,很多国家和地区都将氢能作为应对气候变化,实现低碳能源转型的重要抓手。目前氢气的制取方式还是以天然气制氢为主,制氢的过程会产生CO2等温室气体,因此无法实现真正的“低碳”。其他的制氢技术,如电解法,利用两个电极之间的电流插入水中,克服水的化学键,从而将水分裂成氧气和氢气,这种方法已经非常成熟,但由于成本高,并未获得广泛应用,造成成本高的原因,除了极其耗能外,还有就是需要非常昂贵且相对稀有的金属铂,铂金在制氢过程中被用作催化剂使用。因此,研究人员长期以来一直在寻找铂金的替代品,储量丰富且价格便宜。一段时间以来,纳米材料形式的过渡金属二卤化物(或称TMDs)一直被认为是铂金催化剂的最好替代品。TMD由一种过渡金属的一个原子和一种卤素元素的两个原子组成。TMD之所以能成为铂金的替代品,不仅仅是因为它们的储量更丰富,而且它们的电子结构也能给电极带来提升。此外,作为纳米材料的TMD本质上是一种只有几个原子厚的二维超薄片,就像石墨烯一样。二维TMD纳米片的超薄特性,使得在催化过程中暴露出的TMD分子比块状的物质要多得多,从而提高并加快了制氢化学反应的速度。然而,即使这样,TMD分子也只是在纳米片的四个边缘发生反应。在平坦的内部,并没有发生什么。为了提高制氢的化学反应速度,需要将纳米片切割成非常薄,几乎是一维的条带,从而产生许多边缘。韩国科学技术院(KAIST)材料科学与工程系的SangOukKim教授领导的研究小组开发了一种化学剪刀,可以将TMD剪成细小的条状物,相关研究成果发表在《NatureCommunications》上。参与设计该工艺的研究人员Kim教授说:到目前为止,任何人都能够将石墨烯和磷烯变成这中纳米条带,因为它们都只由一种元素组成,但想要将TMD也做到这一点就很难了,因为它是由两种元素组成的。这把剪刀包括两个步骤,首先将锂离子插入TMD片的分层结构中,然后使用超声波使其自发地剪开成直线。它的工作原理有点像劈开一块胶合板:它很容易沿着纹理的一个方向断裂,Kim教授说。研究人员随后用各种类型的TMD进行了尝试,包括那些由钼、硒、硫、碲和钨制成的TMD。所有的效果都一样好,催化效率和铂金的效果一样好。由于实现简单,这种方法应该不仅可以用于TMD纳米带的大规模生产,还可以用其他多元素二维材料制造类似的纳米带,用途不仅仅是制氢。论文标题为《Longitudinalunzippingof2Dtransitionmetaldichalcogenides》。


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