自2000年起，瑞典林雪平大學(xué)Lars Hultman教授及其團(tuán)隊(duì)開始研究過渡金屬碳化物（MAX相）Ti3SiC2。 Ti3SiC2 是MAX 相大族的成員（M 是過渡金屬，A 是周期表A 族元素，X 是C 和/或N）。通過此，研究小組提出了一種制備高質(zhì)量單晶薄膜材料的方法，該材料像陶瓷一樣穩(wěn)定，像金屬一樣導(dǎo)電和延展。關(guān)于這一結(jié)果的論文于2002 年發(fā)表。經(jīng)過幾代研究生的努力，Lars Holtmann 和幾位團(tuán)隊(duì)成員成為MXene 的共同發(fā)明者，MXene 是一種幾個(gè)原子層厚的過渡金屬碳化物。對(duì)于MXene，如果A層（Si）被蝕刻掉，碳化物薄膜就會(huì)剝落[1]。這項(xiàng)工作的相關(guān)論文于2011年發(fā)表在Advanced Materials上，被引用超過8900次。幾年后，研究小組計(jì)劃在Ti3SiC2上制備電接觸，并首先嘗試使用Au。然而，這個(gè)實(shí)驗(yàn)失敗了，因?yàn)榻鹞樟怂械墓?，并且硅被氧化，?dǎo)致材料變得絕緣。然而，為了觀察Ti3SiC2的完整性，研究小組使用電子顯微鏡觀察其橫截面，發(fā)現(xiàn)所有的Si原子層可能都消失了，取而代之的是Au原子層。因此，Si和Au之間存在交換插層過程，由此他們提出了新的想法。 2016年，課題組通過將Au嵌入Ti3SiC2中，成功制備了Ti3AuC2。通過相互擴(kuò)散過程，Au 取代了天然納米層壓陶瓷中的Si，在化合物內(nèi)形成了Au 原子片。 2017年，相關(guān)論文發(fā)表在Nature Materials上[2]。受此啟發(fā)，Hortmann教授在2019年扭轉(zhuǎn)了制備MXene的概念，即通過蝕刻MAX相薄膜中的M和X（Ti3C2）層來釋放單原子厚的A（Au）層。

圖片|石宇辰（來源：石宇辰）

研究之初，石宇辰等人并不知道如何從模板材料中獲取這些Au層。 Ti3AuC2 這種材料非常穩(wěn)定并且耐大多數(shù)化學(xué)品。隨后，同校Hortmann教授和Johanna Rosen教授帶領(lǐng)團(tuán)隊(duì)成員Shun Kashiwaya和Shi Yuchen尋找潛在有效的蝕刻劑。其中，他們還使用了村上試劑，這是一種鐵氰化鉀的堿性溶液，大約一百年前一些鐵匠用它來蝕刻鋼中的碳化物。自石墨烯發(fā)現(xiàn)以來，二維材料因其特殊的性質(zhì)引起了學(xué)術(shù)界的廣泛研究興趣。然而，僅含有金屬，特別是貴金屬的二維材料的合成仍然具有挑戰(zhàn)性。金對(duì)于電子、催化、生物醫(yī)學(xué)等領(lǐng)域具有重要意義。因此，研究團(tuán)隊(duì)希望創(chuàng)造出一種金礦，并從材料、物理和電學(xué)方面研究其基本特性。在此期間，石宇辰和同事對(duì)模板材料（Ti3AuC2）的制備、透射電鏡樣品制備、刻蝕條件、材料表征等方面進(jìn)行了大量的實(shí)驗(yàn)和討論。實(shí)驗(yàn)開始時(shí)，他們使用了非常濃的鐵氰化鉀溶液，觀察到蝕刻速率非?？?，以至于Au從碳化物中釋放出來后可以形成Au納米顆粒。此時(shí)，他們意識(shí)到必須精確稀釋試劑，因?yàn)榻饘?duì)蝕刻條件極其敏感。并且蝕刻必須在黑暗中進(jìn)行，因?yàn)楣鈺?huì)引發(fā)試劑中氰化物離子（腐蝕金）的形成。在找到合適的蝕刻濃度后，他們觀察到非常少量的金色，但它們很容易卷曲和聚集。于是，石宇辰等人意識(shí)到，必須在溶液中添加某種能夠穩(wěn)定金黃色的表面活性劑。在嘗試了各種表面活性劑后，他們得到了更穩(wěn)定的金色。在獲得主要實(shí)驗(yàn)結(jié)果后，他意識(shí)到這項(xiàng)工作還需要一定的理論計(jì)算支持。 2022 年，該團(tuán)隊(duì)的另一位同事Davide G. Sangiovanni 對(duì)Au 的單原子層進(jìn)行了第一性原理計(jì)算。結(jié)果表明，在理想情況下，goldene可以與基底支撐物分離并穩(wěn)定存在。經(jīng)過對(duì)goldene的各種材料表征后，本研究的實(shí)驗(yàn)部分和理論數(shù)據(jù)已經(jīng)完成。近日，相關(guān)論文在《Nature Synthesis》上發(fā)表，標(biāo)題為《合成單原子層金的金烯》（Synthesis of golde contains single-atomlayer gold）。 Shun Kashiwaya 和Lars Holtmann 教授為共同通訊作者[3]。

圖|相關(guān)論文（來源：Nature Synthesis）

一位評(píng)論家指出：“這項(xiàng)工作的新穎性是雙重的?！笔紫?，傳統(tǒng)方法主要涉及MAX相中A層的選擇性刻蝕，這使得MAX相中MX的選擇性刻蝕成為一種新穎的方法。其次，創(chuàng)造可剝落的金色本身就代表了這項(xiàng)研究的前沿。

（來源：Nature Synthesis）

總體而言，這一結(jié)果可以帶來一些潛在的催化應(yīng)用。研究小組最希望的應(yīng)用目標(biāo)是電催化制氫，利用goldene高表面積、高體積比和豐富的不飽和原子的優(yōu)勢，以最少的Au資源消耗實(shí)現(xiàn)更強(qiáng)的催化活性。此外，與Au納米顆粒一樣，goldene在生物傳感、靶向治療等領(lǐng)域也具有一定的應(yīng)用前景。需要說明的是，該制備方法使用鐵氰化鉀作為堿性溶液，這意味著氰化物離子被限制在鐵氰化鉀分子中，不會(huì)被釋放出來。由于鐵氰化鉀在酸性條件下會(huì)產(chǎn)生劇毒的氰化氫氣體，因此他們提前添加了氫氧化鉀，使溶液保持堿性。此外，鐵氰化鉀本身對(duì)水生生物有毒，因此需要小心處理。值得注意的是，許多材料生產(chǎn)中的蝕刻過程往往會(huì)使用劇毒有害的化學(xué)品，例如氫氟酸。鐵氰化鉀的毒性相對(duì)較小。此外，由于制備金黃色的關(guān)鍵之一是堿性鐵氰化鉀的高度稀釋(濃度為1或更低)，因此鐵氰化鉀的用量必須盡可能少。后續(xù)，他們將探索goldene的基本特性，進(jìn)一步優(yōu)化合成工藝，以提高goldene的面積和收率。此外，他們還計(jì)劃利用這種合成方法剝離除Au之外的其他二維貴金屬的原子片。參考文獻(xiàn)：1. TbAIC2 剝離產(chǎn)生的二維納米晶體，Michael Naguib、M. Kurtoglu、Volker Presser、J. Lu、J. Niu、M. Heon、L. Hultman、Y. Gogotsi、M.W. Barsoum、Advanced Materials 23 （2011）4248。

2.Ti3SiC2中貴金屬取代合成Ti3AuC2、Ti3Au2C2、Ti3lrC2，H.Fashandi, M.Dahlqvist, J.Lu, J.Palisaitis, S.Simak, I.Abrikosov, J.Rosen, L.Hultman, M .Andersson, A.L-Spetz, P.Eklund Nature Materials 16 (2017) 814) 3.Kashiwaya, S. Shi, Y. Lu, J.等人。包含單原子層金的金的合成。納特。合成3, 744751 (2024)。 https://doi.org/10.1038/s44160-024-00518-4 操作/排版：何晨龍