北理工張加濤團隊在Cell旗艦期刊《Matter》發表納米晶合成方法學綜述


  近日,北京理工大學化學與化工學院院長張加濤團隊在Cell旗下材料學旗艦期刊《Matter》上發表了題為《Cation/Anion Exchange Reactions towards the Syntheses of Upgraded Nanostructures: Principles and Applications》的綜述文章(Matter 2020, 2, 554-586),基于團隊在離子交換策略精準合成II-VI族摻雜及異質納米晶及應用方面研究成果,詳細介紹了合成無機納米晶的離子交換反應的反應機理、材料合成進展、性能應用和展望。

  無機膠體納米晶,由于尺寸、形貌、組分調控合成引起的光電性能調控及應用受到了科學界的廣泛關注。進一步功能化應用過程中,納米晶的異質結構、摻雜以及與尺寸、形貌調控的有效結合具有重要的科學和應用意義。離子交換反應,近幾年逐步發展成為合成可控組成、界面和形貌的無機納米晶的有效策略,在材料化學領域具有重要的科學和應用價值。例如,與傳統方法相比,逆向競爭陽離子交換反應制備得到的深位點摻雜的量子點,可以提高摻雜量子點的熒光量子產率和熒光壽命;離子交換策略,可以實現在原子級層面調控大晶格失配度下的金屬-半導體異質界面,更有利于等離子激元與激子的耦合以及熱電子的注入,實現高效的光催化產氫;通過離子交換策略實現的無機鈣鈦礦納米晶的組分調控和異價摻雜,可以有效實現其熒光位置調節和熒光穩定性的提高等等。因此,離子交換反應對于液相無機納米晶的合成,具有重要的應用價值。

圖1 離子交換反應制備膠體納米晶及其性能研究

  基于詳盡的文獻調研,團隊梳理近幾年離子交換策略用于合成無機納米晶的研究展望,主要包括以下內容:(1)離子交換反應機理的研究進展,主要包括熱力學和動力學研究、溶劑配體的研究。其中,張加濤教授團隊近年來深入研究了配體和溶劑等對于逆向競爭離子交換反應機理影響及應用拓展(Angew. Chem. Int. Ed. 2015, 54, 3683 –3687; Angew. Chem. Int. Ed. 2019, 58, 1 – 7);(2)離子交換反應策略在精準調控制備在包括合金態/摻雜量子點、異質納米晶、中空納米晶、鈣鈦礦納米晶、二維納米晶等無機膠體納米晶方面研究進展。其中張加濤教授團隊提出了逆向競爭陽離子交換反應策略并實現了II-VI族量子點深度位置的異價重摻雜,為有效解決自清潔效應引起的穩定摻雜問題提供新方法、新材料(Adv. Mater. 2015, 27, 2753–2761)。并進一步用逆向競爭陽離子交換反應策略實現了水相制備金屬-單晶半導體異質納米晶,在實現高結晶度殼層的同時,可以有效實現其低缺陷的異質界面及應用(Nano Energy 2019, 57, 57–65)。團隊基于異質納米晶的合成工作,從晶格失配的角度梳理了納米晶界面合成化學綜述(Chem. Rev. 2020, 120, 2123-2170);(3)離子交換反應精準合成的納米晶的性能應用研究進展,包括熒光調控、光熱性能、光催化/光電催化性能研究、電化學應用等等。例如張加濤研究團隊與合作者發現Ag摻雜CdSe量子點的光誘導Ag+向Ag2+轉變和因此產生的光誘導磁性(Nat. Nanotech. 2018, 13, 145-151),利用陽離子交換策略制備的具有清晰異質界面的單晶核殼納米晶在光解水產氫 (Nano Energy 2018, 48, 44–52;Adv. Energy Mater. 2019, 9, 1803889)、近紅外光電探測(Nano Energy 2019, 57, 57–65)、光熱療應用(Adv. Mater. 2016, 28, 3094–3101)等領域均展現出了較高的性能優勢;(4)離子交換策略的展望,包括用于復雜微納結構的精準制備,進一步實現原子級位點和表界面應變的調控等。

  上述研究成果得到了結構可控先進功能材料與綠色應用北京市重點實驗室和材料學院先進材料實驗中心的平臺支持,得到了國家自然科學基金 (Grant No. 51702016, 51631001, 51872030, 21643003, 51501010)和科研院創新人才支持計劃經費的支持。北理工材料學院博士畢業生李欣遠(現清華大學博士后)和紀穆為(現深圳大學副研究員)為文章共同第一作者,北理工李紅博教授和張加濤教授為通訊作者,北理工為第一通訊單位。

  原文鏈接:https://www.cell.com/matter/fulltext/S2590-2385(19)30415-1

  

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