【引言】

因為具有原子級厚度， 二維單層過渡金屬硫屬化合物在電子器件和能源轉換與存儲中具有極大的應用潛力。導電多孔結構由于可以提高活性位點和增大比表面積，在能源存儲中常常作為活性電極材料， 但很少能通過二維過渡金屬硫屬化合物獲得。經過剝離的二維材料通常需要進行一系列后處理（如等離子體和化學侵蝕法）才能獲得孔隙率。然而，這些后處理手段使得材料不可逆地凝聚并且減小材料的表面積，同時難以得到均勻的多孔單層材料。因此，一步法制備基于二維單層過渡金屬硫屬化合物的多孔材料成為了研究熱點。

【成果簡介】

針對上述問題，來自中國科技大學的吳長征教授（通訊作者）等人在JACS 上發表題為‘’Acid-Assisted Exfoliation toward Metallic Sub-nanopore TaS₂ Monolayer with High Volumetric Capacitance‘’的文章。本成果首次報導了通過酸輔助剝離二硫化鉭制成具有平面內可控亞納米孔的大面積導電單層材料。受益于孔徑和電解質離子大小的完美匹配，這種單層材料擁有超高導電性和快速離子傳輸能力。由這種材料制成的電極用于微型超級電容器時具有很大的體積電容（10 mV/s 掃速下為508 F/cm³）和高能量密度（58.5 Wh/L）。文中酸輔助剝離方法可以廣泛用于能源應用中制備具有不同結構的二維納米材料。

【圖片導讀】

原理圖1 通過酸輔助剝離，LiTaS₂單晶膨脹和侵蝕得到大面積具有亞納米孔結構的導電單層TaS₂

圖1 1 M HCl溶液中剝離的單層TaS₂材料表征

（a）單層TaS₂材料的光學顯微鏡照片；

（b）單層TaS₂材料的原子力顯微鏡照片；

（c）單層TaS₂（紅色）及本體（黑色）材料的拉曼光譜；

（d）單層TaS₂材料的TEM及SAED圖像；

（e）單層TaS₂材料的HAADF圖像;

（f）密度泛函模式下單層TaS₂材料的孔徑分布。

圖2 強酸和弱酸等不同酸輔助剝離TaS₂分散液

（a）紫外-可見吸收光譜；

（b）剝離材料的濃度比較（內圖為光學照片）；

（c）得到的單層TaS₂材料大小；

（d）單層TaS₂材料上的孔徑分布

圖 3 含不同氫離子濃度酸輔助剝離下的多孔單層TaS₂材料的HAADF圖像

（a）0.1 M;

（b）2 M;

（c）10 M；

（d）不同氫離子濃度條件下的孔密度。

圖4 材料的微觀及化學表征

（a）酸輔助剝離獲得的單層TaS₂材料的HAADF 圖像；

（b）亞納米孔的HAADF放大圖像及線1和線2的信號剖面；

（c）（d）分別為酸處理前后材料的XPS譜圖中S峰。

圖5 基于金屬亞納米孔TaS₂微型超級電容器的電化學表征

（a）循環伏安曲線；

（b）恒電流充放電曲線；

（c）基于金屬亞納米孔TaS₂和小塊緊湊TaS₂微型超級電容器的體積比電容隨掃速變化曲線 （內圖是對應的質量比電容隨掃速的變化曲線）；

（d）2 A/g條件下基于金屬亞納米孔TaS₂微型超級電容器的循環穩定性（內圖是其第一圈和第4000圈恒電流充放電曲線對比）。

【小結】

本文介紹了一種酸輔助剝離方法將快速剝離和簡易結構修飾結合成一步， 用于可控制備納米孔過渡金屬硫屬化合物納米材料。氫離子可以極大地增加層間距并促進平面內TaS₂晶格的化學侵蝕，進而獲得大面積、具有亞納米孔結構的單層導電TaS₂材料。通過改變氫離子的濃度，材料的孔密度得到很好的控制，可以應用在能源存儲中。由這種材料構成的微型超級電容器具有超高的體積比電容和高能量密度。本方法將來可以用于二維材料的修飾。

文獻鏈接：Acid-Assisted Exfoliation toward Metallic Sub-nanopore TaS2?Monolayer with High Volumetric Capacitance. (J. Am. Chem. Soc., 4 December, 2017, DOI:?10.1021/jacs.7b11915)

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