北京航空航天大学宫勇吉教授团队综述：二维材料范德华间隙的利用

第一作者：阙海峰

通讯作者：宫勇吉

通讯单位：北京航空航天大学材料科学与工程学院

注：此综述是“能源与材料化学专刊”邀请稿，客座编辑：北京大学吴凯教授、国家自然科学基金委员会张国俊研究员

引用信息

阙海峰, 江华宁, 王兴国, 翟朋博, 孟令佳, 张鹏, 宫勇吉. 物理化学学报, 2021,37 (11), 2010051.

doi: 10.3866/PKU.WHXB202010051

Que, H. F.; Jiang, H. N.; Wang, X. G.; Zhai, P. B.; Meng, L. J.; Zhang, P.; Gong, Y. J. Utilization of the van der Waals Gap of 2D Materials. Acta Phys. -Chim. Sin. 2021, 37 (11), 2010051.

doi: 10.3866/PKU.WHXB202010051

主要亮点

本文从改变二维材料的层间距以改变层间耦合、客体原子与二维材料相互作用、客体原子带来新性质和层间存储四个主要方面系统地综述了近年来本领域的各项重要工作，着重介绍二维材料范德华间隙的各种层间调控方法及其对材料的物理、化学性质的巨大影响，并对未来二维范德华间隙的进一步开发利用做了简要的展望。

研究背景：意义、现状

自从石墨烯被发现以来，二维材料就因为其独特的物理化学性质成为研究热点。其电学、光学、量子、催化等独特且可调谐的特性使得二维材料迅速成为一类极其重要的材料体系，其中一些独特的二维材料甚至具有可调的超导性和磁性。二维材料的层间存储也正在成为能源领域越来越重要的发展方向，受到国内外众多科研工作者的关注。二维材料中范德华间隙的存在提供了调控其性质或人工创造新材料的手段，层间弱结合的特性使得其易于掺杂外来分子、离子、原子等客体。引入的客体可以改变二维范德华间隙层间距，从而调整材料的层间耦合；与原有晶格原子发生的多种相互作用，也可以在电、光、热、磁等多个方面调控材料的性质，甚至带来一些宿主材料原本所并不具备的性质，如优异的催化性质、铁磁和超导性质。这些层间调控的手段可以创造出综合性能更加优异的二维材料，作为改变二维材料性能的一种通用方法有极大的潜力，从而在二维材料的性能调控方向上具有重要意义。

核心内容

1.  改变层间距以改变层间耦合

层与层之间的相互作用(即层间耦合)显然对二维材料的性质起到了至关重要的作用。将客体物种插入二维材料的范德瓦尔斯间隙，已被证明可以在大块晶体中诱导出类超薄纳米片的特性，有效地改变原有材料的电子性质。例如一些具有层数依赖性的二维材料(如MoS₂)在多层时具有间接带隙，其单层纳米片具有直接带隙，而当层间距扩大或层间耦合减弱达到一定比例时，相邻层就会发生解耦，表现出类似单层纳米片的直接带隙性质。层间距的扩大会显著减弱二维材料层间的范德华作用，从而调控其带隙、电导率、热电性能、光学性能、磁性和乃至超导性，对于探究扩展二维材料新奇的物理、化学特性有着深远的意义。

在调控二维材料的层间距方面，科研工作者们近年来发现了一系列有效手段。通过杂原子掺杂和利用金属离子，小分子，金属原子，有机分子等进行插层都可以有效改变二维材料的层间距。杂原子掺杂在改变层间耦合的同时通常会引起与基体材料的电荷转移或其他相互作用，重原子的存在也会增加自旋轨道耦合，引起超导性质，热电性能或自旋极化的改变。如图1所示研究者们报道了通过水热法成功合成了O掺杂层间距扩大的MoS₂纳米薄片。一些研究者也通过溶胶-凝胶路线合成了增大层间距的N掺杂MoS₂，其层间间距由0.62 nm扩大到0.65 nm。在图2中研究者们合成了P掺杂的MoS₂，并进行了电子结构和能带计算。归因于P原子插入到MoS₂层间引入了额外的电子，随着P插入量的增加，费米能级向导带靠拢，MoS₂的p型电导率变弱，导通型出现了由p型向n型的转变，产生了n型电导率，显著改变了MoS₂的电输运性能。

图1  MoS₂层间距改变的相关研究。

图2  P掺杂MoS₂的电输运性质和层间距研究。

在二维材料层间插入其他二维单层或者有机分子形成超晶格结构也被研究者们发现可以有效解耦多层二维材料的层间耦合，显著改变材料的电学和光学性质。研究者们通过在二硫化钼双分子层之间插入一个二维单层，形成了二硫化钼/ML/二硫化钼夹层三层结构(ML = BN，MoSe₂，WS₂，或WSe₂)，在他们对该范德华三层结构的电子性质进行了全面的第一性原理研究后发现：BN单分子层可以有效的解耦MoS₂层间范德华耦合，恢复MoS₂单层的电子结构，特别是单层的直接带隙特性(如图3)。Wang等人报告了一种电化学分子嵌入方法制备的新型稳定超晶格，其中单层原子与分子层交替。以黑磷为例，与十六烷基三甲基溴化铵插层后生成的单层磷烯分子超晶格，其层间距离为块体黑磷的两倍以上，有效实现了层间的解耦，超晶格中的磷烯分子层体现出单层的特性，制备的晶体管的电输运研究表明其具有超高的迁移率和开关比。研究者利用原位检测光致发光研究了插入过程，原子力显微镜观察到了扩大的厚度，XRD同样测量到了扩大的层间距(如图4)，最终获得的单层磷烯分子超晶格具有高载流子迁移率，高电流开关比，大的光学带隙和卓越的稳定性，为磷烯在电子和光子学领域的应用开辟了新的道路。通过制造具有特定化学、物理、机械和电化学性质的多功能杂化材料，能进一步扩展现有材料的应用范围。

图3  范德华三层结构电子性质的第一性原理计算研究。

图4  电化学分子嵌入方法制备的新型稳定超晶格的TEM图像能带计算和传输

特性研究。

从上述研究工作中，我们可以看到调控层间距对材料性能的显著影响。对于二次电池来说，增大的层间距意味着层与层之间范德华作用的显著减弱和层间间隙空间的增加，同时降低离子插入和脱出的势垒，提高层间离子或电子的储存和输运特性。因此，增大层间距是提高离子电池的电化学性能和倍率特性的有效方法。同样对于二维材料催化体系而言，层间距的增加会暴露出更多的层间催化位点，从而大大增加原有材料的催化性能。随着掺杂和插层方法的不断发展与完善，通过改变二维范德华间隙层间距来调整层间耦合可能会成为提高二维材料性能，提升材料实际应用价值的通用策略，也为探究新型材料特性提供了行之有效的方法。

2.  客体原子与二维材料相互作用

2.1 插层相变

在二维材料的范德华间隙中插入的客体往往会与母体材料发生电荷交换，从而引起材料物相的变化。在近年来的科研工作中，利用插层相变来调整原有材料的电子结构被发现是一种提高原有材料光电、催化活性的有效方法。以二硫化钼为例，MoS₂作为一种典型的二维过渡族硫属化物，其单层是具有直接带隙的半导体，在电光器件和能源催化等领域有着巨大的应用潜力，其热力学稳定形式是三角棱柱形相(H-MoS₂)，其中每个钼原子被周围的六个硫原子棱柱形配位。在Li插层作用下，MoS₂会经历一阶相变到亚稳态，Mo原子变为八面体配位(1T-MoS₂)。这种相变会造成状态密度的显著变化，使其由2H相的半导体变为1T相的金属态，被报道具有更加优异的催化性能。2014年，Wang等人报道了通过在三维基底上构建边缘大量暴露的纳米结构二硫化钼颗粒，然后进行Li电化学插层和剥离过程，可以获得200 mV过电位下阴极电流密度为200 mA∙cm⁻²的超高HER性能，如图5a–c所示。他们认为MoS₂的高表面积纳米结构和2H半导体到1T金属相变是其优异的催化活性的原因，并进行了电化学稳定性试验进一步证实催化剂的稳定性。同年Wang、Shen等人研究了MoS₂在电化学钠离子插层中的相变过程，利用电化学方法可控地插入钠离子，并原位观察了MoS₂的结构演化。2017年，Chen等人通过增加MoS₂中的锂离子插层量得到了1T相占百分之九十以上的二维MX₂ (M = W，Mo；X = S，Se)量子点。由于二维1T-MoS₂量子点具有较高的1T金属相比例和较小的横向尺寸所诱导的足够的活性位点，因此表现出优异的析氢反应活性(见图5d，e，f)。进一步的工作中，研究者们发现在插层的过程中，2H-1T相变的发生是由于过量的电子注入超过某一阈值(0.29个电子每个MoS2单元)，而当选用较大的插入剂，如钠离子(相对于半径较小的锂离子)和部分有机分子(如季铵盐，例如四庚基溴化铵)时，由于可引入的客体原子、分子的数量有限，可以减少电荷的注入量，从而避免相变的发生。

图5  Li插层MoS₂的催化活性。

2.2  光电性质的调控

除了插层相变，研究者们发现间隙内的客体与母体发生的相互作用同样也会引起载流子浓度、光学透过率、电导率和带隙特征的变化。研究者们在将铯原子嵌入石墨烯后发现极大程度地提高材料的费米能级，抑制带间光学跃迁，从而增加其在可见光范围内的透光率，得到的石墨的光学性能显著改变。MoO₃中Sn的插层也被证明大大提高了体系的电化学性能，从而具有更好的循环性能。过渡金属元素(Cu和Ge)也被报道插入到Si₂Te₃的范德华间隙中，电子带隙、价带间过渡区、等离子体性质和潜在电导率都发生了变化。

2018年，Gong等人报道了一种基于溶剂的插层方法可以实现Cu原子和Co原子在SnS₂中的可控插入(如图6a)。他们发现，CVD生长的原始SnS₂是n型半导体，而嵌入铜和钴原子可以分别将其调控为p型半导体和高导电的金属态。生长的SnS₂、Cu-SnS₂和Co-SnS₂的光学图像分别见图6b，c，d。图6e为SnS₂、Cu-SnS₂和Co-SnS₂的拉曼光谱。插层前后样品在二氧化硅/硅衬底上也表现出改变的相对反射率,表明Cu和Co的成功插入(如图6f)，XPS光谱进一步证实插层后铜和钴的存在(如图6g)。原始SnS₂晶格在与层间Cu原子的作用下，Cu原子中扩展的s电子可以部分填充硫化锡的导带，同时由于客体与宿主晶格原子的耦合作用，C₁和C₂带的能量差距越来越小，从而使Cu-SnS₂表现出具有窄带隙的p型半导体特征。Co原子未填充的d电子与原始二硫化锡的能带发生耦合，造成费米能级处杂化态部分被填满，从而表现出显著提高的导电性。相比于CVD生长的原始n型S空位SnS₂，Cu掺杂的双层SnS₂的场效应迁移率能够达到40 cm²∙V⁻¹∙s⁻¹，Co掺杂的SnS₂则表现出高导电的金属性能。这种插层技术同时实现了在原子级尺度二维半导体材料的p型、n型及非简并型掺杂。Gong等人还进一步利用光刻技术第一次实现了n、p型半导体和金属二维材料的无缝连接和集成，实现了精确的尺寸和空间控制(见图6h)，并进行了一系列性能测试(如图6i，j)。2018年，Li等人报道了在二维层状石墨化氮化碳(g-C₃N₄)中利用氧在层内修饰并同时在层间插入钾的新结构。氧的掺杂和层间插入的钾形成一种内部范德华异质结构，氧修饰的CN层与相邻的CN子层之间建立了一个范德华异质结，同时，K的插入可以加速层间电荷流，作为中介加强了层间的范德华相互作用。合成的O、K功能化g-C₃N₄具有显著增强的光催化活性和选择性，与原始g-C₃N₄相比，净化效率几乎提高了100%。

图6  Cu、Co插层调控SnS₂光电性质的研究。

2.3  量子性质的改变

客体与宿主材料的相互作用也会引起一些其他性质，如磁性、拓扑磁相和超导特性的变化。2016年，Farrell等人报道了将Au嵌入石墨烯和六方氮化硼的范德瓦尔斯异质结构中可以诱导出石墨烯和金原子之间的强杂化效应，从而产生约25 meV的Rashba相互作用(自旋轨道相互作用)。金的负磁电阻高达75%，表明层间的金形成了磁矩，反常霍尔效应表明可能形成了有序磁相。

2019年，Wang等人报道了利用电化学插层的有机分子形成杂化超晶格大大提高了Cr₂Ge₂Te₆的铁磁转变温度。Wang等人通过四丁基铵(TBA⁺)的电化学插层形成杂化超晶格(TBA)Cr₂Ge₂Te₆，插层前后的晶体结构如图7a、b，XRD图谱(如图7c)可以看出插层衍射峰整体向小角方向移动。研究发现(TBA)Cr₂Ge₂Te₆表现出金属行为，并且居里温度从原始Cr₂Ge₂Te₆半导体的67 K显著提高到208 K (如图7d)，磁易轴从c轴重定向到ab平面(如图7d、e、f、g)。理论计算表明，Cr₂Ge₂Te₆层被电子掺杂，基态由半导体转变为金属。因此，铁磁性来自于(TBA)Cr₂Ge₂Te₆中传导电子与局部自旋的耦合，而不是来自于Cr₂Ge₂Te₆中微弱的超交换作用。在费米能级附近，态密度主要贡献来自先前未被占用的Cr元素的d_xz和d_yz轨道，这些导电的d_xz和d_yz轨道将与Cr的其他局部自旋轨道产生Hund耦合交换，满足Anderson和Hasegawa提出的双交换铁磁性相互作用机理。由于直接耦合，Cr自旋之间的磁耦合强度显著增加，这使得居里温度大幅提高，同时Cr离子的自旋轨道耦合以及双重交换相互作用使易磁轴从Cr₂Ge₂Te₆的c轴方向向(TBA)Cr₂Ge₂Te₆的ab面变化。该研究表明有机分子的电化学嵌入可以显著地调整范德华材料的磁性，这为操纵磁性范德华晶体的磁性和电子性质开辟了一条新途径。

图7  合成了有金属性的(TBA)Cr₂Ge₂Te₆杂化超晶格，提高其铁磁转变温度。

在上面的讨论中，在二维材料的范德华间隙引入的客体可以与原有晶格原子发生多种相互作用，在电、光、热、磁等多个方面调控材料的性质。这些工作说明，利用范德华间隙中的客体与母体的相互作用可以创造综合性能更加优异的二维材料，作为改变二维材料性能的一种通用方法有极大的潜力，在二维材料的性能调控方向上有重要意义。

3.  客体原子带来新性质

3.1  催化

插入二维材料范德华间隙的客体原子不仅可以与宿主材料相互作用改变其电、光性质，还可以带来一些宿主材料原本所并不具备的性质，如优异的催化性质、铁磁和超导性质。

在催化领域，限域生长这一新兴的概念是设计和合成新型二维纳米结构材料的一个很有前景的策略。范德华间隙可提供催化剂限域生长的空间。在二维材料的层间引入高度分散的纳米粒子和团簇近年来也被发现是实现创造高度优异性能催化剂的有效方法，所得到材料的优异的催化特性往往是原有的材料所不具备的。范德华间隙中的纳米粒子在层间的限域作用下能够保持很好的分散性，从而提高了在催化过程中的稳定性，为高性能稳定催化奠定了基础，而如何将粒子引入二维材料层间构建高效的催化体系具有一定的挑战性。最早的一批研究者们先后尝试了将RuO₂引入KCa₂Nb₃O₁₀中和通过预插层的方法将金纳米颗粒引入到层状固体中，以及利用Rh―O―Nb键的共价相互作用，成功将高度分散的Rh(OH)₃纳米颗粒插入KCa₂Nb₃O₁₀的层间，Oshima等人报道了利用金属配合物和带负电的二维Ca₂Nb₃O₁₀薄片之间的静电作用在其层间空间沉积了直径小于1 nm的金属团簇(包括铂等团簇)，且沉积过程不需要额外试剂。这些体系都呈现出或多或少的催化特性，为后来的一系列工作做了铺垫。2018年，Luo等人报道了一种二维MoS₂限域的Co(OH)₂纳米颗粒电催化剂的设计和合成，该催化剂可以加速水的分解，并在碱性溶液中表现出良好的耐久性，从而显著提高了催化性能。密度泛函理论计算表明Co(OH)₂纳米粒子和MoS₂纳米片的共同作用促进了催化活性提高，限域作用很好的约束了层间的纳米粒子，保证了催化过程的稳定。

进一步的工作中，一些研究工作者将目光转移到二维范德华间隙的单原子插层催化剂上，并发现其具有非常广阔的应用前景。Chen等人报道了一种具有垂直结构的钴单原子嵌入MoS₂的催化剂(如图8a、b、c)，由于间隙空间的限域效应和与基底较强的耦合作用，体系的电子结构得到改变，进而提出了自由基介导硫化物氧化的途径(如图8d)。该单原子催化剂表现出较强的吸附和边缘选择性氧化作用，可以实现硫醚的选择性氧化。一系列理论计算研究了催化剂中的电荷密度分布和对不同物种的吸附能，并进行EPR实验研究了该催化剂的催化反应过程(见图8e、f、g)。该催化剂可以催化合成一系列复杂的砜和亚砜类中间体和药物衍生物，在34种有机分子的合成中选择性高达99%，具有非常重要的工业应用价值。

图8  钴单原子嵌入MoS₂的催化剂合成及催化机理。

如上文所提到的，二维材料中金属原子的插层已受到研究工作者的广泛关注。这种方法可以运用在不同种的二维材料体系中，并插入不同种类的客体金属原子。由于范德华间隙的限域效应，层间的金属原子可以被稳定，维持其原子级的分立，构建具有相当优异催化性能的单原子催化剂。然而，目前关于此类单原子催化剂的研究还较少。我们在此提出以下一些设想：

(1)在单原子催化十分热门的今天，我们能否拓展一种新的且较为普适的通过插层二维材料获得一系列高稳定性的特殊单原子催化剂的方法？相对于面内掺杂获得的单原子催化剂，层间插层的客体单原子并不一定会与宿主晶格原子发生共价成键，耦合形式的不同可能也意味着这种方式制备出的单原子催化剂可能具有不同的催化反应途径，从而展现出不同的反应机理和催化活性。

(2)对于本身就具有优异催化性质的贵金属，将其作为单原子分散在二维材料的层间能否进一步显著提升其催化性能？现有的一些贵金属催化剂通常存在催化稳定性较差和成本过高等问题，极大的限制了这些体系的真正应用。层间限域构建这些贵金属的相应的单原子催化剂也许是提高其催化稳定性和利用效率，从而提高其实际应用价值的潜在方法。现有的层间插入的单原子催化剂研究仍比较有限，对于贵金属原子插层后与层状主体材料之间的耦合也还需进一步的探究。

(3)对于本身催化性质较差的金属元素，将其作为单原子分散在二维材料层间能否获得优异的催化性能？不同金属元素插层过程都会引起能带结构甚至晶体结构的改变，并可能会引起宿主材料催化活性及催化位点的改变。我们认为通过对电子和能带结构进行合理设计，选择合适的金属元素和宿主材料，或许可以构建出非贵金属的层间限域单原子催化剂，促进低成本高产量催化剂和催化体系的进一步开发研究。

3.2  磁性

除了上文所提到优异的催化性能，二维范德华间隙的客体原子也会带来原来材料并不具备的磁性。典型的工作包括2019年Nair等人报道的将铁原子被插在NbS₂的2H相平面间的周期晶格中从而制备出的磁性插层过渡金属二卤化物Fe_1/3NbS₂在42 K下表现出反铁磁有序性，以及2020年Zhao等人报道的Ta插入的自插层Ta₇S₁₂ ic-2D晶体中出现了铁磁性，见图9、图10。

图9  插层过渡金属二卤化合物Fe_1/3NbS₂的结构和磁性测试。

图10  Ta插入的自插层Ta₇S₁₂ ic-2D晶体研究。

4.  层间存储：锂离子和锂金属电池等

层间存储是锂离子二次电池的核心。在层状材料的层间可逆脱插金属离子可以实现可充电电池的能量存储和释放。近年来，锂离子电池、钠离子电池、锂硫电池和其他类型的电池得到了大量科研工作者的关注 ，在能源存储领域展现出极其出色的应用潜力。其中由于插层的难度较低，对锂离子电池的研究开始的最早，而随着有机分子插层柱化等方法的应用和各种二维体系的涌现，层间间距进一步被扩大，钠离子、镁离子、钾离子、锌离子等电池体系也因此迅速发展起来。层间工程和表面修饰方法开始被研究工作者广泛地应用于提升锂离子电池的速率和容量。层间存储是能源存储领域至关重要的一部分。
锂离子电池是正负电极之间传输的离子为Li⁺的电池体系，关于锂基电池的研究最早可追溯到上个世纪早期。1913年，Gilbert N. Lewis在美国化学学会会刊上就发表了系统阐述和测量金属锂电化学电位的工作，被视为最早的系统研究锂金属电池的工作。在随后的几十年里不少科研工作者都尝试过锂金属电池的产业化。1965年，德国化学家Walter Rüdorff首次发现在一种层状结构的硫化物TiS₂中可以化学嵌入锂离子，1973年时任美国埃克斯石油公司科学家Stanley Whittingham经过一系列细致研究证明了这种层状结构的金属硫化物(TiS₂)可以在层间实现锂的电化学可逆储存，并以此为基础构建了一个锂金属二次可充电池原型。尽管可逆锂电在原理上成功得到印证，但由于金属锂作为负极在不断循环中容易生成树枝状的锂枝晶从而造成电池内部短路引发起火爆炸，锂金属电池的枝晶问题成为阻碍其产业化应用的巨大问题。虽然对于锂金属电池的应用研究遇到困难，科研工作者还是继续提出了构建出可实现锂离子在充放电过程中来回穿梭的新电池体系，锂离子电池的概念开始酝酿。1980年，牛津大学无机化学系教授John B. Goodenough提出用一种含锂的金属氧化物来做为锂电池正极，并最终使用了具有层状结构的钴酸锂(LiCoO₂)，从而为当时还并不清晰的锂离子电池体系雏形寻找到了理想的正极材料。几乎在同一时期，人们发现可以采用石油焦来代替金属锂作为锂离子电池的负极材料。虽然石油焦存在着比容量较低的问题，后来先后被中间相碳微球和人造石墨负极或改性天然石墨负极所取代，但在当时钴酸锂正极和碳负极的发现，仍然为商用锂离子电池的诞生奠定了基础。1991年，首批商业化的锂离子电池在索尼公司诞生，由于其自身具有的优势(高输出电压、高容量和稳定的嵌入式材料结构)，锂离子电池得到了科研工作者们大量的关注和研究，得到了蓬勃的发展。近年来，二维材料的蓬勃发展进一步为锂离子电池提供了可选择的电极材料，此外，层间工程与具有更大层间距的材料体系也在不断被发现，促进了钠、钾离子和其他多价离子电池的发现和研究，在当今众多的锂离子电池实验和理论研究下，快速冲放和高密度储能也正在科研工作中慢慢成为现实。
除了锂离子电池之外，锂金属电池也是当今锂电池领域的研究重点。与当前商用化的锂离子电池石墨负极相比，锂金属负极具有更高的理论比容量(3860 mAh∙g^–1)，极低的密度(0.59 g∙cm^–3)以及最低的电化学电位(–3.04 V vs. RHE)，是最为理想的高能量密度锂电池负极材料。然而，由于局部非均匀电场所诱导的锂金属不可控沉积，枝晶状的锂不可避免地在负极表面生长，造成电解液的快速消耗，甚至隔膜的刺穿乃至电池爆炸。此外，锂金属超高的化学活性和体积效应也造成了锂金属负极在实际应用过程中的一系列问题。能否采取类似锂离子存储于二维材料层间的策略，通过二维范德华间隙来稳定锂金属将是一个非常有效的解决方案。这种方法可以实现锂金属的层间限域沉积，避免锂金属与电解液的直接接触，从而大大提高锂金属电极的稳定性，是未来层间能源存储领域的重要发展方向之一。

结论与展望

在此综述中，我们系统地阐述了二维范德华间隙开发利用的一系列工作，介绍了近年来学者们在通过引入客体原子、有机分子、二维纳米片等物质调控二维材料的范德华间隙，从而优化二维材料的电学、光学、量子、催化等特性的诸多尝试与努力。二维范德华间隙的开发和利用可以综合调控二维材料的物理化学性质，乃至探索材料原来不具有的新性质。然而利用插层法进行二维材料范德华间隙的调控也存在着一些问题。首先，层间插入的客体物质可能引起宿主晶格的晶格畸变，引起应力或其他缺陷，这些由于插层引起的晶格畸变和缺陷可能会使散射的增加，造成材料电导率和热导率的下降，引入的应力也可能会改变材料的能带结构和费米能级，造成电学性质和磁学性质的变化，这些因素意味着层间插入的客体物质在提高材料的一些性能的同时可能会降低材料的其他性能。此外，对于特定的插层剂和插层体系，如带电荷的离子插层，存在插层浓度有极限或者插入的客体不稳定等问题，制约了层间调控的实际效果。当前科研工作者在利用范德华间隙调控材料物理化学特性时，通常把目光放在优化材料的某个特定性能上，所使用的调控方法也较为单一。我们认为使用多种方法共同调控材料的性质可能是创造适合工业应用所需材料的有效方法，也是未来利用范德华间隙调控材料性质的发展方向。在利用插层等方法调控材料性质的同时，进一步应用杂原子掺杂和应变调控等方法共同优化材料性能，也许可以突破单一方法在调控材料性能上的极限，避免或弥补插层可能会造成的某些性能下降，从而得到性能更加优异或者更加全面的材料。二维范德华间隙利用是调控和提升材料性能的重要方法，层间物质存储更是未来能源存储领域的重要发展方向。我们相信通过研究人员的进一步努力，二维范德华间隙的开发利用会真正提高二维材料的综合应用潜力和实用价值，为将来二维材料走向工业化、走进我们的生活贡献力量。

☎作者介绍

 宫 勇 吉 

2011年本科毕业于北京大学化学与分子工程学院。2015年博士毕业于莱斯大学。2016年到2017年在美国斯坦福大学从事博士后研究。现为北京航空航天大学材料科学与工程学院教授，博士生导师。主要研究方向为二维材料的合成、性质调控以及其在信息器件、新能源器件方面的应用。

相关拓展

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