Advanced Science:二维铼族过渡金属化合物材料的研究进展、挑战和机遇

石墨烯的发现开启了纳米材料、纳米科学和纳米技术领域的新篇章,并打开了二维材料研究领域的大门。近年来,一系列过渡金属硫族化合物材料(TMDs)的发现极大地拓展了二维材料的性能和应用领域。铼族化合物(ReX2)作为TMDs材料家族的一类新成员,其独特的1T’结构和优异的性质更是受到了研究者们的广泛关注。例如,ReX2具有较大的带隙和不同的导电属性(ReSe2: 1.3 eV, p-型;ReS2: 1.6 eV, n-型),特别是ReX2的三斜晶格结构使其表现出独特的层间解耦合和强的各向异性特性,这为构筑新型光电子器件提供了更多的自由度。此外,其离子插层方便、活性位点丰富、结构稳定等特点使其成为构筑高性能电化学能源存储和转换设备的理想材料。

近日,陕西师范大学材料科学与工程学院徐华教授课题组,对近年来有关二维铼族化合物的研究进展进行了综述,结合本课题组在相关材料方面的研究成果,详细介绍了铼族化合物材料的结构特点、基本的物性和应用情况。并对现有的制备方法进行了梳理归纳,着重探讨了此类低对称二维材料的生长特征和机制。最后,对未来二维铼族化合物材料研究面临的挑战和发展方向进行了深入思考和前瞻性展望。该综述主要从以下四个方面展开:(1)结构决定性质,二维铼族化合物材料由于Jahn-Teller效应(或Peierls畸变)导致其形成扭曲的八面体(1T’)结构,从而在光学、电学、导热等方面表现出显著的各向异性;其稳定的1T’相结构、弱的层间范德华力和本身具有较多的边缘活性位点等特性,有助于开发高性能电极材料和高活性催化剂。此外,掺杂及构筑异质结是调控二维材料性能的重要手段,铼族材料独特的1T‘相结构为探索并拓展基于此类材料的合金和异质结的性能提供了新的机遇。(2)重点介绍并归纳了目前科学研究者们提出的制备铼族化合物材料的新策略和新进展,并对其进行了批判性分析。同时针对于此类材料制备过程易于产生多晶畴结构的问题,从材料所得材料的结构特征、生长行为、生长机制及可能的控制方法进行了深入讨论。(3)总结了目前铼族化合物材料在光电子器件,能源转化和存储和传感等应用领域的广阔应用前景。(4)基于铼族化合物材料具有的显著各向异性和层间解耦合特性,分别从性质探索、制备方法改进以及应用拓展的角度对此类材料研究面临的挑战和发展机遇进行了展望。

本综述将有助于读者全面了解二维铼族化合物材料近期的研究现状和突破性进展,加深对这类材料的结构和应用之间的内在关联的认识,并且能够为相关领域研究者提供参考。相关结果已发表在Advanced Science上(DOI: 10.1002/advs.202002320)。