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北理工张加涛团队在Cell旗舰期刊《Matter》发表纳米晶合成方法学综述


  近日,188体育app化学与化工学院院长张加涛团队在Cell旗下材料学旗舰期刊《Matter》上发表了题为《Cation/Anion Exchange Reactions towards the Syntheses of Upgraded Nanostructures: Principles and Applications》的综述文章(Matter 2020, 2, 554-586),基于团队在离子交换策略精准合成II-VI族掺杂及异质纳米晶及应用方面研究成果,详细先容了合成无机纳米晶的离子交换反应的反应机理、材料合成进展、性能应用和展望。

  无机胶体纳米晶,由于尺寸、形貌、组分调控合成引起的光电性能调控及应用受到了科学界的广泛关注。进一步功能化应用过程中,纳米晶的异质结构、掺杂以及与尺寸、形貌调控的有效结合具有重要的科学和应用意义。离子交换反应,近几年逐步发展成为合成可控组成、界面和形貌的无机纳米晶的有效策略,在材料化学领域具有重要的科学和应用价值。例如,与传统方法相比,逆向竞争阳离子交换反应制备得到的深位点掺杂的量子点,可以提高掺杂量子点的荧光量子产率和荧光寿命;离子交换策略,可以实现在原子级层面调控大晶格失配度下的金属-半导体异质界面,更有利于等离子激元与激子的耦合以及热电子的注入,实现高效的光催化产氢;通过离子交换策略实现的无机钙钛矿纳米晶的组分调控和异价掺杂,可以有效实现其荧光位置调节和荧光稳定性的提高等等。因此,离子交换反应对于液相无机纳米晶的合成,具有重要的应用价值。

图1 离子交换反应制备胶体纳米晶及其性能研究

  基于详尽的文献调研,团队梳理近几年离子交换策略用于合成无机纳米晶的研究展望,主要包括以下内容:(1)离子交换反应机理的研究进展,主要包括热力学和动力学研究、溶剂配体的研究。其中,张加涛教授团队近年来深入研究了配体和溶剂等对于逆向竞争离子交换反应机理影响及应用拓展(Angew. Chem. Int. Ed. 2015, 54, 3683 –3687; Angew. Chem. Int. Ed. 2019, 58, 1 – 7);(2)离子交换反应策略在精准调控制备在包括合金态/掺杂量子点、异质纳米晶、中空纳米晶、钙钛矿纳米晶、二维纳米晶等无机胶体纳米晶方面研究进展。其中张加涛教授团队提出了逆向竞争阳离子交换反应策略并实现了II-VI族量子点深度位置的异价重掺杂,为有效解决自清洁效应引起的稳定掺杂问题提供新方法、新材料(Adv. Mater. 2015, 27, 2753–2761)。并进一步用逆向竞争阳离子交换反应策略实现了水相制备金属-单晶半导体异质纳米晶,在实现高结晶度壳层的同时,可以有效实现其低缺陷的异质界面及应用(Nano Energy 2019, 57, 57–65)。团队基于异质纳米晶的合成工作,从晶格失配的角度梳理了纳米晶界面合成化学综述(Chem. Rev. 2020, 120, 2123-2170);(3)离子交换反应精准合成的纳米晶的性能应用研究进展,包括荧光调控、光热性能、光催化/光电催化性能研究、电化学应用等等。例如张加涛研究团队与合编辑发现Ag掺杂CdSe量子点的光诱导Ag+向Ag2+转变和因此产生的光诱导磁性(Nat. Nanotech. 2018, 13, 145-151),利用阳离子交换策略制备的具有清晰异质界面的单晶核壳纳米晶在光解水产氢 (Nano Energy 2018, 48, 44–52;Adv. Energy Mater. 2019, 9, 1803889)、近红外光电探测(Nano Energy 2019, 57, 57–65)、光热疗应用(Adv. Mater. 2016, 28, 3094–3101)等领域均展现出了较高的性能优势;(4)离子交换策略的展望,包括用于复杂微纳结构的精准制备,进一步实现原子级位点和表界面应变的调控等。

  上述研究成果得到了结构可控先进功能材料与绿色应用北京市重点实验室和材料学院先进材料实验中心的平台支撑,得到了国家自然科学基金 (Grant No. 51702016, 51631001, 51872030, 21643003, 51501010)和科研院创新人才支撑计划经费的支撑。北理工材料学院博士毕业生李欣远(现清华大学博士后)和纪穆为(现深圳大学副研究员)为文章共同第一编辑,北理工李红博教授和张加涛教授为通讯编辑,北理工为第一通讯单位。

  原文链接:https://www.cell.com/matter/fulltext/S2590-2385(19)30415-1

  

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