摘要：林雪平大学Lars Hultman、Shun Kashiwaya等人解决了金的二维结构制备方面的一些关键问题，相关研究在Nature Synthesis期刊上发表了题为「Synthesis of goldene comprising single-atom l

林雪平大学Lars Hultman、Shun Kashiwaya等人解决了金的二维结构制备方面的一些关键问题，相关研究在Nature Synthesis期刊上发表了题为「Synthesis of goldene comprising single-atom layer gold」的最新研究论文。这一突破性成果标志着金烯材料的问世，为催化剂和光传感等领域的应用提供了全新前景。金烯的制备技术将在科技界掀起一股新的浪潮，这一发现被誉为纳米世界的黄金时代的开端。Nature专题报道详细解读了该项研究的亮点和意义，引领着科学界对金烯材料的深入探索和应用探索。

金纳米颗粒具有诸多应用前景，如将塑料废弃物和生物质转化为高附加值的化学品，以及光催化驱动整体水分解和过氧化氢生产。然而，纯金属的二维材料的制备面临着一系列问题，如如何稳定性能、如何控制结构等。为了解决这些问题，一些科学家进行了一系列的实验和理论研究。他们尝试利用密度泛函理论（DFT）和从头算分子动力学（AIMD）等理论方法，预测金的二维结构的稳定性和性质。然而，实验上的挑战包括如何有效地将金纳米结构扩展到大尺寸、如何实现单原子层的稳定和可控制性等。

通过一种新颖的湿化学法，研究人员成功地从Ti₃AuC₂纳米层状MAX相中剥离出了金的二维层。这种方法简单易行、可扩展，并且不需要使用氢氟酸等强腐蚀性试剂。利用该方法，研究人员获得了金的二维层，并通过电子显微镜观察到了约9%的晶格收缩。此外，X射线光电子能谱（XPS）的结果表明，金的二维层具有一定的结构和化学性质变化。

图1 | 通过化学蚀刻方法制备单原子厚金膜（金烯）的过程。

图1展示了通过使用Murakami试剂和CTAB作为稳定剂腐蚀Ti₃AuC₂ MAX相膜中的Ti₃C₂板条来实现2D金的制备过程。图1a展示了Ti₃AuC₂的原子位置示意图以及取向标记。图1b展示了经过Murakami试剂和CTAB腐蚀后的Ti₃AuC₂的横截面HR-STEM图像，其中左侧保留了原始的Ti₃AuC₂结构，右侧显示了金烯的形成。图1c是图1b中腐蚀掉的Ti₃C₂板条后的金烯的放大图。通过图1的结果，研究者成功地实现了金烯的制备，并观察到金烯具有单原子厚度的特点。Murakami试剂的使用以及CTAB作为稳定剂的加入对于成功实现金烯的制备起到了关键作用。这项研究的结果为制备单原子厚度的金材料提供了一种新的合成途径，为金材料在光子学和医学领域的应用提供了新的可能性。

图2 | 金烯的平面视图图像。

图2展示了金烯的平视HR-STEM图像和STEM能量色散X射线光谱映射结果。在图2a中，金烯薄片堆叠在一起，并纠缠在一起，而没有导致金纳米粒子的形成。这表明表面活性剂的使用能够有效地稳定金烯的结构。在图2b和图2c中，金烯薄片在未腐蚀的残留Ti₃AuC₂或SiC衬底上显示出有序的图案，表明金烯的存在。同时，通过STEM能量色散X射线光谱映射，也确认了金烯薄片的主要成分为金（Au）。这些结果揭示了金烯的二维形态，为后续的材料表征和应用提供了重要数据。

图3 | 参考金、Ti₃AuC₂和金烯的X射线光电子光谱。

而图3展示了对金烯的X射线光电子能谱（XPS）测量结果。通过与参考溅射蚀刻金箔和Ti₃AuC₂的比较，研究者得出了金烯的电子性质。Au 4f XPS谱显示金箔的峰位于83.96 eV，而原始的Ti₃AuC₂（腐蚀前）显示出两个Au 4f双峰，其中一个双峰源自Au向Ti₃C₂板条的电子转移。而金烯的Au 4f峰向更高的Eb偏移0.88 eV，表明金烯中的电子性质与Ti₃AuC₂有所不同。金烯的XPS谱结果进一步确认了金烯的存在，并揭示了其与Ti₃AuC₂之间的电子转移现象。

图4 | 无缺陷金烯单层的平面和侧视图。这是在300 K下进行的从头算分子动力学（AIMD）模拟所使用的超胞模型。

图4展示了用于AIMD模拟的无缺陷金烯单层的平面和侧面正交视图。在300 K下，我们对2D无缺陷金烯的动态行为进行了5 ps的模拟。结果显示，金烯以六角三角形结构的晶格形式存在，并且在模拟期间保持动态稳定。通过这些模拟，我们证实了先前的第一性原理计算和模拟结果，验证了金烯的结构和动态稳定性。

在图中，可以看到超胞模型，其中的晶胞轴相对于Au(111)单层。Au–Au键的长度不超过3.6 Å。这个模型用于在300 K下进行AIMD模拟，以研究金烯的结构和动态行为。通过模拟，我们观察到金烯以稳定的六角三角形结构存在，并且在模拟期间没有出现结构破坏或失稳的迹象。

这些模拟结果对于理解金烯的稳定性和应用潜力至关重要。通过对金烯的结构进行动态模拟，我们可以更好地理解其在不同条件下的行为，为其在纳米电子学、催化剂和传感器等领域的应用提供基础。此外，这些模拟结果也有助于指导实验设计，优化金烯的合成方法，以实现其在实际应用中的更好性能和稳定性。

总结展望

本文展示了一种新颖的方法，通过化学剥离的方式从Ti₃AuC₂中制备出单层金膜金烯。这一方法不仅使得金膜的制备更加简单和可控，而且得到的金烯具有独特的电子结构和表面性质。此外，通过调整化学剥离的条件和表面活性剂的使用，可以进一步优化金烯的制备过程，从而为其在光电子学、催化剂、传感器等领域的应用提供更广阔的发展空间。

此外，本研究还展示了通过原子级的结构调控可以实现对金属纳米材料的精细调控，从而拓展了金属纳米材料的合成和应用范围。通过在实验和理论层面的深入研究，我们对金属纳米材料的结构与性能之间的关系有了更深入的理解，为设计和开发新型功能材料提供了重要的科学启示。

文献链接：

B Kashiwaya, S., Shi, Y., Lu, J. et al. Synthesis of goldene comprising single-atom layer gold. Nat. Synth (2024).

--今日新材料

来源：Future远见