清华王训Nat. Commun.：具有全光谱吸收和光响应性能的原子级尺寸的氧化钼纳米环

【引言】

  纳米科学的基本目标之一是理解材料的尺寸效应，基于纳米科学衍生出许多重要研究领域，如：量子点、表面等离子体共振和低维纳米结构等。然而，随着纳米材料家族的逐渐壮大，仅仅将材料尺寸缩小到纳米尺寸已经很难观察到所期待的新效应。单纯从逻辑上考虑，当材料缩小到原子级别时，材料表面将会裸露大量的自由电荷，这将使得材料拥有一系列前所未有的性能，如：光热转换效应、光驱动效应等。因此，拥有等离子体效应或者光电性能的纳米尺寸材料将有助于探索和扩展它们的光学性质。

  近些年，大量的研究集中在光敏复合材料，这些材料在微纳器件具有广阔的前途。将光热转换材料引入聚合物中是制备光驱动复合材料的有效方法，该方法可以使得聚合物拥有形状记忆、结构形变以及自愈合特性。至今，主要的光驱动材料主要包括如：偶氮苯、碳基材料（碳纳米管和石墨烯）、液晶弹性体、过渡金属硫化物等。然而，大部分光驱动材料与聚合物的兼容性都不太好，并且存在较低的光热转换效率的问题。因此，寻找一种具有优秀的光热转换效率以及与聚合物兼容的纳米材料变得十分重要。

【成果简介】

近日，清华大学王训教授(通讯作者)等人在Nat. Commun.上发表了一篇名为“Atomic-level molybdenum oxide nanorings with full-spectrum absorption and photoresponsive properties”的文章。该文章报道了一种制备硫掺氧化钼纳米环材料的简易方法。这种原子级尺寸的纳米环表现出优秀的光热转换效率。此外，该材料与聚合物具有良好的兼容性，掺该材料的环氧树脂具有形状记忆、自愈合、可塑性等性质。

【图文简介】

图1：硫掺杂氧化钼多层纳米环(mSMO)的形貌表征

(a, b). mSMO 纳米环的SEM图；

(c). 刚合成的mSMO材料样品；

(d). 高压釜反应生成的1.5g样品；

(e). mSMO纳米环HAADF-STEM图；

(f). mSMO纳米环HRTEM图；

(g). mSMO纳米环的结构模型。

图2：mSMO 纳米环的结构分析

(a). 不同Mo/S摩尔比对XRD峰的影响；

(b). 六方MoO₂纳米片的结构模型；

(c, d). MoO₂纳米片、mSMO纳米环、MoO₂薄片和MoO₃薄片的XANES衍射谱和FT谱；

图3：纳米环的形成机制

(a). 单层纳米环的TEM图，插图为HAADF-STEM图；

(b). 多层纳米环的晶格应力梯度分析；

(c). MoO₂薄片、MoO₂纳米片和SeMO纳米环的FT谱；

(d). MoO₂薄片、MoO₂纳米片和SeMO纳米环的紫外-可见漫反射谱。

图4：sSMONRs-PDMS复合材料的光致热性能

(a). 1 W/cm²的红外808 nm激光照射下，sSMONRs-PDMS复合材料的温度随时间的变化；

(b). 不同复合材料的最高光致热温度；

(c). sSMONRs-PDMS复合材料和mSMONRs-PDMS复合材料在不同光功率照射下达到的局部温度；

(d-k). sSMONRs-PDMS复合材料在光照30秒内热电偶检测照片。

图5：sSMONRs在聚合物中的光致热效应原理图

在光照情况下，sSMONRs对光进行吸收，并将光转换成热量再传递给聚合物。

图6：sSMONRs-环氧树脂复合材料的光活化性能

(a). 复合材料的合成过程；

(b). 复合材料在光照情况下的形状记忆效果；

(c). 复合材料的照片与光热照图；

(d). 红外光照射下，复合材料的自愈合性能；

(f). 红外光照射下，复合材料的可逆驱动与动态结构。

【小结】

文章报道了一种简易、可大面积制备硫掺杂的氧化钼纳米环(SMO NRs)材料，该纳米环的厚度只有0.5 nm相当于2-3层原子厚度。该材料表现出优异的光热转换效率，1 W/cm²的红外激光照射30秒可使掺有该材料的PDMS温度达到400℃。此外，用该材料制备的复合环氧树脂材料具有优良的形状记忆、自愈合、可逆驱动等特性。该研究将为推动原子级纳米材料的进步作出重要贡献。

文献链接：Atomic-level molybdenum oxide nanorings with full-spectrum absorption and photoresponsive properties (Nat. Commun., 2017, DOI: 10.1038/s41467-017-00850-8)

本文由材料人电子电工学术组刘于金供稿，材料牛整理编辑。

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