如何做好一锅纳米晶？北理工张加涛教授团队Matter综述推荐一读

张加涛教授团队

2020-03-06

第一作者：李欣远（现清华大学博士后）、纪穆为（现深圳大学副研究员）

通讯作者：李红博、张加涛

通讯单位：北京理工大学

核心内容：

1. 基于张加涛教授团队在离子交换策略精准合成纳米晶研究成果，介绍了离子交换反应机理的研究进展，概述了离子交换反应策略在精准调控制备无机胶体纳米晶方面研究进展，并展示了其应用前景。

2. 为纳米合成领域的研究人员提供了有价值的参考，为进一步的合成策略和潜在的应用提供参考。

离子交换反应用于无机胶体纳米晶合成

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。在过去的几十年中，多种合成胶体纳米晶的方法被国内外广泛报道，如热注入法、水热法等等，可以获得大量单分散的胶体纳米晶。在纳米晶材料的进一步功能化应用过程中，例如异质结构、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。

综述简介

近日，北京理工大学张加涛教授团队在Cell旗下材料学旗舰期刊Matter上发表了题为“Cation/Anion Exchange Reactionstowards 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，详细介绍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。

图1. 离子交换反应制备胶体纳米晶及其性能研究。

要点1：离子交换反应机理的研究进展

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、以及材料晶体结构、内部缺陷和空位等的影响。其中，在热力学理论研究的基础上，溶剂和配体可以直观的实现热力学和动力学的调控，其反应机制的研究对于拓展离子交换反应的应用具有重要意义。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）（如图2所示）；

图2. 张加涛教授团队报道的配体引发的逆向竞争阳离子交换法的机理研究，及其在制备掺杂量子点和核壳纳米晶的应用。（Angew. Chem. Int. Ed. 2015, 54, 3683 –3687; Angew. Chem. Int. Ed.2019, 58, 1 – 7）。

要点2：离子交换反应用于无机胶体纳米晶制备

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，并展示了其应用前景。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，图3A-B）。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（NanoEnergy 2019, 57, 57–65，图3C-D）；

图3. 张加涛教授团队报道的离子交换法制备掺杂量子点（Adv. Mater. 2015,27, 2753–2761）和具有高结晶度壳层和低缺陷异质界面的金属-半导体核壳纳米棒的相关结果（Nano Energy 2019, 57, 57–65）。

要点3：离子交换反应合成的纳米晶的性能应用研究进展

上述基于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利用与合作者发现Ag掺杂CdSe量子点的光诱导Ag⁺向Ag²⁺转变和和因此产生的光诱导磁性（Nat. Nanotech.2018, 13, 145-151）以及利用阳离子交换策略制备的具有清晰异质界面的Au@CdS单晶核壳纳米晶具有突破性的Plasmon热电子注入效率（约48%）和高效的光解水产氢性能(Nano Energy 2018, 48, 44–52，图4A-B)。制备的Au-CdSe棒状哑铃型异质结构实现了在近红外光区（>700nm）的高效光电催化性能(Adv. Energy Mater. 2019, 9, 1803889，图4C)。制备的Au@Hg_xCd_1-xTe核壳纳米棒与单层石墨烯复合，在近红外光区实现了高达10⁶ A/W的光电探测性能(Nano Energy 2019, 57, 57–65)，以及Au@Cu_2-xS核壳纳米棒在近红外区优良的光热转化效率和杀死癌细胞的光热疗应用（Adv. Mater. 2016, 28,3094–3101）。

在荧光聚集器领域，李红博教授报道的半导体-半导体核壳量子点，展现出了重要的应用前景（Nat. Energy 2016, 1, 1-9; Nat. Photon. 2018, 12, 105-110）。基于在上述工作积累的研究成果，张加涛教授团队近日也梳理了不同失配度下异质纳米晶的合成策略（Chem. Rev. 2020, 120,2123-2170），着重强调了晶格失配下的界面化学对于异质纳米晶合成的重要意义。

图4. 张加涛教授团队报道的离子交换法制备的Au-CdS核壳纳米晶及其光催化产氢性能研究（Nano Energy 2018, 48, 44–52）和Au-CdSe哑铃状纳米晶在近红外光区的热电子成像图和光电催化产氢性能研究（Adv. Energy Mater. 2019, 9, 1803889）。

小结与展望

最后作者在离子交换反应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方面进行了展望。

参考文献

Xinyuan Li, et al. Cation/AnionExchange Reactions toward the Syntheses of Upgraded Nanostructures: Principlesand Applications. Matter, 2020.

DOI:10.1016/j.matt.2019.12.024

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