【引言】

因为具有原子级厚度， 二维单层过渡金属硫属化合物在电子器件和能源转换与存储中具有极大的应用潜力。导电多孔结构由于可以提高活性位点和增大比表面积，在能源存储中常常作为活性电极材料， 但很少能通过二维过渡金属硫属化合物获得。经过剥离的二维材料通常需要进行一系列后处理（如等离子体和化学侵蚀法）才能获得孔隙率。然而，这些后处理手段使得材料不可逆地凝聚并且减小材料的表面积，同时难以得到均匀的多孔单层材料。因此，一步法制备基于二维单层过渡金属硫属化合物的多孔材料成为了研究热点。

【成果简介】

针对上述问题，来自中国科技大学的吴长征教授（通讯作者）等人在JACS 上发表题为‘’Acid-Assisted Exfoliation toward Metallic Sub-nanopore TaS₂ Monolayer with High Volumetric Capacitance‘’的文章。本成果首次报导了通过酸辅助剥离二硫化钽制成具有平面内可控亚纳米孔的大面积导电单层材料。受益于孔径和电解质离子大小的完美匹配，这种单层材料拥有超高导电性和快速离子传输能力。由这种材料制成的电极用于微型超级电容器时具有很大的体积电容（10 mV/s 扫速下为508 F/cm³）和高能量密度（58.5 Wh/L）。文中酸辅助剥离方法可以广泛用于能源应用中制备具有不同结构的二维纳米材料。

【图片导读】

原理图1 通过酸辅助剥离，LiTaS₂单晶膨胀和侵蚀得到大面积具有亚纳米孔结构的导电单层TaS₂

图1 1 M HCl溶液中剥离的单层TaS₂材料表征

（a）单层TaS₂材料的光学显微镜照片；

（b）单层TaS₂材料的原子力显微镜照片；

（c）单层TaS₂（红色）及本体（黑色）材料的拉曼光谱；

（d）单层TaS₂材料的TEM及SAED图像；

（e）单层TaS₂材料的HAADF图像;

（f）密度泛函模式下单层TaS₂材料的孔径分布。

图2 强酸和弱酸等不同酸辅助剥离TaS₂分散液

（a）紫外-可见吸收光谱；

（b）剥离材料的浓度比较（内图为光学照片）；

（c）得到的单层TaS₂材料大小；

（d）单层TaS₂材料上的孔径分布

图 3 含不同氢离子浓度酸辅助剥离下的多孔单层TaS₂材料的HAADF图像

（a）0.1 M;

（b）2 M;

（c）10 M；

（d）不同氢离子浓度条件下的孔密度。

图4 材料的微观及化学表征

（a）酸辅助剥离获得的单层TaS₂材料的HAADF 图像；

（b）亚纳米孔的HAADF放大图像及线1和线2的信号剖面；

（c）（d）分别为酸处理前后材料的XPS谱图中S峰。

图5 基于金属亚纳米孔TaS₂微型超级电容器的电化学表征

（a）循环伏安曲线；

（b）恒电流充放电曲线；

（c）基于金属亚纳米孔TaS₂和小块紧凑TaS₂微型超级电容器的体积比电容随扫速变化曲线 （内图是对应的质量比电容随扫速的变化曲线）；

（d）2 A/g条件下基于金属亚纳米孔TaS₂微型超级电容器的循环稳定性（内图是其第一圈和第4000圈恒电流充放电曲线对比）。

【小结】

本文介绍了一种酸辅助剥离方法将快速剥离和简易结构修饰结合成一步， 用于可控制备纳米孔过渡金属硫属化合物纳米材料。氢离子可以极大地增加层间距并促进平面内TaS₂晶格的化学侵蚀，进而获得大面积、具有亚纳米孔结构的单层导电TaS₂材料。通过改变氢离子的浓度，材料的孔密度得到很好的控制，可以应用在能源存储中。由这种材料构成的微型超级电容器具有超高的体积比电容和高能量密度。本方法将来可以用于二维材料的修饰。

文献链接：Acid-Assisted Exfoliation toward Metallic Sub-nanopore TaS2 Monolayer with High Volumetric Capacitance. (J. Am. Chem. Soc., 4 December, 2017, DOI: 10.1021/jacs.7b11915)

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