近日，中國(guó)科學(xué)技術(shù)大學(xué)教授俞書宏課題組成功設(shè)計(jì)并可控宏量制備了一種新的Te_xSe_y@Se核/殼結(jié)構(gòu)納米線模板，在此基礎(chǔ)上，建立了一種全新的合成一系列金屬-硒-碲多元合金納米線的通用方法。該研究成果發(fā)表在11月6日的《科學(xué)進(jìn)展》上，論文第一作者為課題組成員陽(yáng)緣。

  硒化物和碲化物因具有優(yōu)異的光學(xué)、電學(xué)、催化等特性，被廣泛應(yīng)用于太陽(yáng)能電池、熱電、光催化、電子器件等領(lǐng)域，其中碲元素曾被美國(guó)材料基因組計(jì)劃列為十六種關(guān)鍵的潔凈能源材料之一。一維納米硒化物及碲化物相比于塊材具有更獨(dú)特的性質(zhì)（如具有更低的熱導(dǎo)、更高的光吸收等），因此非常受研究者們的青睞。作為一種高效、簡(jiǎn)單易行的合成方法，模板法一直被廣泛應(yīng)用于一維納米材料的制備。然而因缺乏相應(yīng)的高活性模板，模板法目前僅局限于二元硒化物或碲化物的制備，此方法尚無(wú)法應(yīng)用于制備金屬-硒-碲多元合金及復(fù)合一維納米材料。

  俞書宏課題組一直致力于建立和發(fā)展具有重要功能的納米結(jié)構(gòu)單元的可控合成方法學(xué)及宏量制備研究。為解決模板法合成金屬硒碲化物納米材料的瓶頸問(wèn)題，研究人員在他們以往在國(guó)際上率先發(fā)展的可宏量制備分散性極好的超細(xì)碲納米線工作的基礎(chǔ)上，以溶有硒粉的水合肼溶液作為硒源，成功地在溫和的條件下將硒外延生長(zhǎng)至可宏量制備的超細(xì)碲納米線上，獲得了可宏量制備的分散性良好、組分可調(diào)控的Te_xSe_y@Se核/殼結(jié)構(gòu)納米線。由于該納米線具有極高的化學(xué)活性且其分散液中無(wú)任何金屬雜質(zhì)，無(wú)需經(jīng)任何預(yù)處理即可用于金屬-硒-碲多元合金納米線的模板法制備。

  從零價(jià)硒(碲)和金屬鹽為前驅(qū)物在水溶液中制備相應(yīng)的金屬硒化物(碲化物)，有兩種反應(yīng)途徑。一種是零價(jià)硒（碲）先被還原成負(fù)二價(jià)的硒（碲）后，再與相應(yīng)的金屬離子復(fù)合成金屬硒化物（碲化物）；另一種則是金屬離子先被還原成金屬單質(zhì)再與硒（碲）化合形成相應(yīng)的金屬硒化物（碲化物）。研究人員在大量實(shí)驗(yàn)的基礎(chǔ)上，排除了第一種機(jī)制在本弱堿性溶液合成體系中起作用的可能性。據(jù)此，利用Nernst方程以及熱力學(xué)相關(guān)理論分析發(fā)現(xiàn)，在其合成體系中理論上是無(wú)法制備金屬活動(dòng)性順序排在鐵（含鐵）之前的相應(yīng)的金屬-硒-碲三元合金納米線的，反之亦然。以核/殼結(jié)構(gòu)納米線為模板，當(dāng)在其分散液中僅加入一種金屬鹽時(shí)，他們獲得了九種三元金屬-硒-碲合金納米線，即AgSeTe、HgSeTe、CuSeTe、BiSeTe、PbSeTe、CdSeTe、SbSeTe、NiSeTe以及CoSeTe。深入研究表明，在該納米線分散液中同時(shí)加入上述九種金屬元素中的兩種相應(yīng)金屬離子前驅(qū)物，則可以制備出多達(dá)三十六種金屬-硒-碲四元合金或雜化結(jié)構(gòu)納米線。在此情況下，當(dāng)相應(yīng)的兩種三元合金組分的晶格相匹配時(shí)，即可獲得金屬-硒-碲四元合金納米線，反之則為由兩種三元金屬-硒-碲合金組成的雜化結(jié)構(gòu)納米線。有趣的是，當(dāng)引入更多種類的金屬原料時(shí)，以該納米線為模板同樣可以獲得五元或以上的多元金屬-硒-碲合金納米線。進(jìn)一步的研究表明，該方法可以實(shí)現(xiàn)對(duì)金屬-硒-碲合金納米線的組分調(diào)控且易于實(shí)現(xiàn)規(guī)模化宏量制備。

  這項(xiàng)研究建立的多元合金金屬硒碲化物納米線的普適合成方法，使得以往難以合成的一系列此類新型納米線材料的制備成為可能，將為進(jìn)一步深入研究此類新型一維納米材料的特殊性能及應(yīng)用奠定堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)。

  上述研究受到國(guó)家自然科學(xué)基金委、科技部、蘇州納米科技協(xié)同創(chuàng)新中心、合肥大科學(xué)中心、中國(guó)科學(xué)院重點(diǎn)部署項(xiàng)目的支持。

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    圖1. 圖中紅圈標(biāo)記的元素表示已實(shí)際制備出相應(yīng)金屬-硒-碲合金納米線的金屬元素，黃圈標(biāo)記的則為理論上可制備相應(yīng)金屬-硒-碲合金納米線的金屬元素。

圖2. (A) 單金屬硒碲合金納米線的形成；(B) 多元金屬-硒碲合金納米線及雜化結(jié)構(gòu)納米線的形成。