付磊课题组阐述弱耦合ReS2应用新前景丨Cell Press对话科学家

近年来，二维原子晶体“王国”涌现出了许多新生力量，而过渡金属二硫属化合物（TMDs）作为“王国”中一支骁勇、庞大的"军队"，在诸多领域都展现了不凡的实力。其中，ReS₂因其极弱的层间耦合作用和独特的理化性质，在过去五年的“战役”中更是打响了“示弱不是真弱”的名号！块体ReS₂的层间范德华作用极弱，表现出了类似单层ReS₂的电子、振动去耦合特性，从而使得ReS₂的诸多性质不会受到层数的影响。如此“示弱”的ReS₂，在无需精确控制层数的情况下，可以更广泛地应用到各个领域！

近日，武汉大学付磊课题组充分利用ReS₂的弱耦合特性，并在储能、催化、刺激响应等领域取得一定进展。该课题组结合ReS₂极弱层间耦合的特性，分析其内在原因，并综述了ReS₂在诸多新兴领域的应用潜力，该成果于2018年12月13日，发表在在Cell Press细胞出版社旗下化学旗舰期刊Chem上。Cell Press微信公众号就该研究取得的进展、下一阶段研究方向等话题专访了论文主要作者付磊教授。

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不同于其它TMDs，ReS₂由块体逐渐减薄至单层时，不会出现由间接带隙到直接带隙转变的现象，说明ReS₂的原子层之间是电荷去耦合的，即ReS₂层间的耦合作用极弱。这主要是由于Re原子的外层有7个价电子，在形成Re−Re键后留下一个孤对电子，导致层间相互排斥。与此同时，系统的总能降低，形成扭曲的1T’结构，因而层间相互作用进一步减弱。

基于ReS₂极弱的层间耦合作用，该课题组总结了四个优势：

1. 层间距大（0.62 nm），离子扩散速率快，易于离子的嵌入和脱出，在可充放电池领域表现出一定的应用前景；

2. 适中的吸附作用，使得离子或分子较容易吸附或脱附，有利于促进催化体系的反应速率；

3. 在较宽波段内有强的光吸收，且不受层数限制，为光电、光吸收等器件的材料制备提供便利；

4. 灵敏的热刺激响应，热起伏和层间相对滑移，有利于实现热形变。

因此，该课题组着重介绍了ReS₂在可充放电池、催化、光电器件、刺激响应以及光热疗法等领域的突出表现。

尽管，极弱的层间耦合作用使ReS₂从其它TMDs材料中脱颖而出，但这并不是ReS₂的唯一优势。实际上，ReS₂结构的低对称性使其具有面内和面间的各向异性，这也赋予了ReS₂许多其它TMDs材料所不具备的特殊性质。当然，ReS₂只是弱耦合二维原子晶体的“代表人物”之一。作者表示，通过对ReS₂进行分析和研究，我们可以类推至其它弱耦合二维原子晶体的探究，从而促进新型二维原子晶体的发展。

作者专访

关于付磊教授

付磊，武汉大学教授，博士生导师，教育部青年“长江学者”，国家自然科学基金委优秀青年基金获得者。以电子信息、能源领域的应用需求为导向，着力研究石墨烯等二维材料及其异质结的可控生长、组装问题，取得了一系列原创性成果。获中国科学院院长特别奖、中国化学会青年化学奖、武汉市优秀青年科技工作者称号。发表SCI论文130余篇，影响因子10.0以上的50余篇，包括Chem 3篇、Nat. Commun. 2篇、Adv.Mater. 16篇、J.Am.Chem.Soc. 6篇、Angew.Chem.Int.Ed. 1篇、Chem.Rev. 1篇、Acc.Chem.Res. 2篇。

Q：首先感谢付磊教授选择Chem发表您的工作。从阅读感受来说，这是一篇很棒的review，文章首先对ReS₂层间弱耦合性的化学原因做了简明扼要的分析，再对由这种弱耦合性衍射出的物理化学性质做了概述，最后选择了数个目前广受关注的领域展示了ReS₂的潜在应用前景。文章结构明朗，条理清晰，引人思考。

文章选择了ReS₂的弱层间耦合特性作为切入点，弱耦合的反面是强耦合，那么ReS₂是否也非常缺乏具有较强层间耦合作用的二维原子晶体的某些特性呢？由此会不会导致不太适用于某些特定领域呢？能否请您从逆向思维的角度跟我们分享一点思考。

A: 对于强耦合作用的二维原子晶体，通过改变其层数，可以实现对其能带、电子结构等性质的调控。这一特性使得强耦合材料在功能、光电器件等领域表现出一定的可调性，这也是ReS₂所缺乏的。但这种对层数的强依赖性既是优势，也是劣势，毕竟对二维原子晶体的层数进行精确控制并非易事。因此，ReS₂在储能、催化、光热疗法等领域表现出的非层数依赖性具有更广泛的应用前景。

Q：您近年来在二维原子晶体领域佳作频出，很多优秀的工作都发表在高品质的期刊上。您的研究内容也相当宽泛，从石墨烯到氮化镓，再到ReS₂，MoSe₂等，请问您在选择研究对象的时候是否有偏好和原则呢？或是这些材料之间是不是有一些关联度？

A: 二维原子晶体家族成员众多且新星辈出，很多都值得被深入研究，但贪多嚼不烂，我们在选择研究对象时会兼顾材料的重要性和研究兴趣，比如石墨烯是第一个被发现的二维原子晶体，载流子迁移率极高；氮化镓是第三代半导体，禁带宽度大、热导率高；ReS₂的晶格对称性低、层间耦合作用极弱；WSe₂是TMDs家族中比较少见的p型半导体。这些二维原子晶体都有着鲜明的特色，可以在特定领域发挥独特的价值。

近年来，我们实验室主要致力于发展二维原子晶体的精准制备方法，为其应用奠定坚实的基础。二维原子晶体只有一个或几个原子层厚，其性质对层数和晶畴结构极为敏感。传统用于生长二维原子晶体的基底是固态的，具有特定的晶格结构，与二维原子晶体存在不适配的问题；此外，二维原子晶体在生长过程中会“复制”基底表面的各类缺陷，导致层数不均或过多的内部晶畴。

付磊教授和他的团队

实验室主页：http://leifu.whu.edu.cn/index.htm

我们实验室创新性地提出采用液态基底来实现二维原子晶体的可控合成。液态表面无晶格结构，趋于各向同性，而且有一定的流动性，利于二维原子晶体的“自由”生长，能有效地实现二维成核、生长以及自组装。例如，基于液态金属的相变过程，前驱体在液态体相中的析出过程能被精确控制，从而实现自限制生长；由于液态金属的可流变性和各向同性，其表面生长的二维原子晶体可实现精准的排列和各向同性生长。

在采用液态基底去制备各种二维原子晶体时，我们会根据材料特点去“度身订作”液态基底，考虑前驱体在液态基底中的溶解性和反应活性，旨在充分发挥液态催化体系的独特优势。比如生长石墨烯用对其前驱体甲烷有催化裂解作用的液态Cu，生长GaN时用自备“粮草”的液态Ga，生长TMDs时会用抗硫化的液态Au或者惰性的液态玻璃。总之，我们对二维原子晶体的兴趣点会有转移和侧重，但液态基底是我们实现各种二维原子晶体可控生长的总体策略。

相关论文信息

论文原文刊载于Cell Press细胞出版社旗下化学旗舰期刊Chem上，点击”阅读原文“或扫描下方二维码查看论文

论文标题：

Novel Insights and Perspectives into Weakly Coupled ReS2 toward Emerging Applications

论文网址：

https://www.cell.com/chem/fulltext/S2451-9294(18)30521-7

DOI:

https://doi.org/10.1016/j.chempr.2018.11.004

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