雷钰团队及合作者在二维材料缺陷调控及生物应用等领域取得新进展

自石墨烯首次被成功剥离之后，二维材料于储能、柔性器件、电子学、光子学、生物医学以及催化等诸多领域均展现出广泛的应用前景。在可规模化合成二维材料方法中，液相剥离法通过削弱块状层状材料中的范德华力，将原子级薄的材料层分散在液体中，是一种常用的二维材料剥离方法。在液相剥离法中，通常会借助超声处理以破坏范德华力，此操作易引发分散所得二维纳米片的厚度出现较大差异。与此同时，为获取高产率的单层或少数层二维纳米片，诸如球磨、表面活性剂添加以及高功率和高温机械剥离等策略常被采用，而额外能量的引入与表面活性剂的添加亦会引发污染问题、产生额外缺陷，且所获二维纳米片的横向尺寸相对较小。

近日，清华大学深圳国际研究生院雷钰团队联合宾夕法尼亚州立大学Mauricio Terrones教授团队创造性地开发了一种液态金属镓（Ga）辅助剥离二维材料的通用方法，该方法能在接近室温的条件下有效地从块状材料中剥离二维材料，且不会引入额外的缺陷。将熔融态的镓与层状材料粉末通过磁力搅拌器进行温和混合，借助液态金属于二维层间的插层作用，实现层间距的扩大并引发剥离过程。此外，镓的流体特性和三氧化二镓（Ga₂O₃）的黏附特性使得磁力搅拌产生的温和剪切力能够从块状晶体上剥离出二维层。这种双重效应形成了一种通用的方法，可用于剥离多种二维材料（石墨烯、碲化钼（MoTe₂）、硒化钼（MoSe₂）、硒化钨（WSe₂）、硫化钼（MoS₂）、硫化钨（WS₂）、硒化铌（NbSe₂）、六方氮化硼（h-BN）和蛭石）。针对不同的应用，所剥离的二维纳米片的晶体质量可以通过块状晶体的缺陷水平得到很好的控制。通过使用高晶体质量的六方氮化硼，所剥离的六方氮化硼纳米片（BNNS）展现出巨大的磁双折射效应，其Cotton - Mouton系数高达2.9×10⁶ T⁻² m⁻¹，此特性使其适宜用作稳定的基于双折射原理的调制器。还证明了通过在块状硫化钼中采用冷冻球磨引入扩展空位，所剥离的多缺陷硫化钼纳米片作为析氢反应（HER）催化剂时，其催化活性显著提高。

图2 液态金属辅助剥离过程及普适性

相关成果以“液态金属辅助剥离二维材料”(Two-dimensional Nanosheets by Liquid Metal Exfoliation)为题发表于《Advanced Materials》。论文通讯作者为清华大学深圳国际研究生院雷钰助理教授和宾夕法尼亚州立大学Mauricio Terrones教授，第一作者为清华大学深圳国际研究生院2023级博士生白一超，合作作者包括清华大学深圳国际研究生院的康飞宇教授、刘碧录教授、汪鸿章助理教授等，美国伦斯勒理工学院的Humberto Terrones教授及加拿大康考迪亚大学的George Bepete助理教授等。

此外在二维材料的生物应用领域，该团队还开发了一种单原子V掺杂MoS₂（V-MoS₂）的电化学传感器。V-MoS₂中的V单原子催化位点（SAC）可以更好地与单胺小分子结合，从而实现高选择性实时检测人工胃/肠液中的血清素（5-HT）。V-SAC 与 MoS₂表面S键的协同效应使得 5-HT 的检测范围极广（从 1 pM 到 100 μM），同时具有优秀的选择性和抗干扰性。结合密度泛函理论计算和扫描透射电子显微镜的结果，可以得出结论：嵌入 MoS₂的 V-SAC活性位点极大地促进了材料与 5-HT 分子之间的电荷交换。这一结果为肠脑轴GBA 研究中的 5-HT 检测提供了更强有力的工具，而利用缺陷工程材料的可调性则为实现 GBA 中其他单胺类神经递质（如多巴胺和去甲肾上腺素）的实时和多组分检测提供了一个通用平台。

图3 V-MoS₂检测肠脑轴中单胺类神经递质

该研究工作以“V-MoS₂实现pM级肠脑轴神经递质检测”(Vanadium Single Atoms Embedded in MoS₂ Enabled Gut-Brain Axis Neurotransmitter Detection at pM Levels)为题发表于《Small》。论文通讯作者为清华大学深圳国际研究生院康飞宇教授、雷钰助理教授和宾夕法尼亚州立大学Mauricio Terrones教授，第一作者为清华大学深圳国际研究生院2024级博士生孙蔺萱。这些研究得到国家自然科学基金委、科技部、广东省科技厅、深圳市科创委等部门的支持。

论文链接：
https://doi.org/10.1002/adma.202416375
https://doi.org/10.1002/small.202307410