清华大学王训JACS：簇-核共组装形成小于1 nm的二维纳米片
第一作者：Junli Liu、Wenxiong Shi
通讯作者：Xun Wang
通讯单位：清华大学
研究亮点：
1. 通过“团簇-晶核共组装”方法，首次实现了结构、尺寸高度有序的二维杂化CuO-PMA亚纳米片的一步法可控合成。
2. CuO-PMA亚纳米片在波长为808 nm的近红外激光照射下，表现出了优异的光热转化性能。
3. 该亚纳米片薄膜在太阳光水蒸发和海水淡化实验中表现出了高效的水蒸发性能。
二维超薄纳米片
目前，二维超薄纳米片（厚度通常小于5 nm）由于其特殊的性质及其在催化、光学、能量和传感等方面的广泛应用，已经得到越来越多科研工作者的关注。在这些二维超细纳米片中，杂化的二维超细纳米片材料由于可能存在的不同组分之间的协同效应而往往在一些应用中表现出更为优异的性能。比如，杂化的二维超细纳米片已经在锂离子电池、太阳能电池和光催化等方面都展现出优异的性能。
根据已有的文献报道，迄今已经发展了很多制备纳米片的合成方法，比如，机械剥离、电化学锂离子插层和剥离、溶剂中直接超声、湿化学合成、化学气相合成（CVD）等。然而，大多数合成杂化纳米片的制备方法往往需要多步。同时，很难控制纳米片内材料组分的分布。而且，如何将纳米片的厚度限定在亚纳米尺度依然是一个巨大的挑战。
在王训课题组最近发表的工作中，他们首次提出了“团簇-晶核共组装”的方法。在亚纳米尺度上，通过将结构明确的团簇在成核阶段引入到无机材料的反应体系中，形成团簇与晶核的共组装体，其可继续生长形成具有亚纳米结构的材料。
成果简介
有鉴于此，清华大学王训课题组在无机材料CuO成核阶段引入磷钼酸团簇干预成核，通过团簇-晶核共组装的方法首次实现了二维杂化CuO-磷钼酸（CuO-PMA）亚纳米片的可控合成。分子动力学模拟的结果证明了PMA团簇通过与CuO分子共组装，可以形成二维稳定的简单四方构型的亚纳米片。该亚纳米片不仅在波长为808nm的近红外激光照射下，表现出了优异的光热转化性能，而且还可用于太阳光水蒸发和海水淡化实验中。其在1太阳光（1kW﹒m-2）下的能量转换效率高达95.72%。该工作将为团簇-无机材料基的二维杂化亚纳米片的合成和更广泛的应用提供一条有效的研究路径。
图1. 团簇-无机材料基的二维杂化亚纳米片。
要点1：CuO-PMA亚纳米片的合成与表征
通过将PMA团簇引入到无机材料CuO的反应体系中，首次一步合成了形状、尺寸分布均匀的二维杂化CuO-PMA亚纳米片。
图2. CuO-PMA亚纳米片的表征。
要点2：CuO-PMA亚纳米片的分子动力学模拟
利用分子动力学模拟成功构筑了PMA团簇与CuO分子相互作用的结构基元模型，得到了二维稳定的简单四方构型的亚纳米片结构。
图3. CuO-PMA亚纳米片的分子动力学模拟。
要点3：CuO-PMA亚纳米片的光热转换性能
CuO-PMA亚纳米片材料在波长为808 nm激光照射下，表现出了优异的光热转换性能。
图4. CuO-PMA亚纳米片材料的光热转换性能。
要点4：CuO-PMA亚纳米片薄膜在太阳光水蒸发和淡水纯化中表现出了高效的水蒸发性能
实验获得的CuO-PMA亚纳米片材料制成的薄膜，在一个太阳强度照射下的水蒸发速率高达1.41 kg﹒m-2﹒h-1（相应的能量转换效率为95.72 %）。同时，利用该薄膜淡化后的海水中，K+、Na+、Ca2+、Mg2+的浓度都发生了几个数量级的降低。
图5. CuO-PMA亚纳米片薄膜在太阳光水蒸发中的性能。
图6. CuO-PMA亚纳米片薄膜在海水淡化中的性能。
小结
该工作利用“团簇-晶核共组装”策略，通过在CuO体系中引入PMA团簇，首次实现了一步法可控合成结构、尺寸高度有序的二维杂化亚纳米片材料。该亚纳米片材料不仅表现出了优异的光热转换性能，而且，其在太阳光水蒸发和海水淡化实验中还表现出了高效的水蒸发性能。该工作有望为更多种类的团簇-无机材料基二维杂化亚纳米片材料的合成提供新的研究思路。
参考文献
Junli Liu, Wenxiong Shi, Xun Wang.Cluster-nuclei co-assemble into two dimensional hybrid CuO-PMA sub-1 nmnanosheets. J. Am. Chem. Soc. DOI:10.1021/jacs.9b08818 (2019)
https://pubs.acs.org/doi/pdf/10.1021/jacs.9b08818
作者简介
王训，博士、教授。国家杰出青年科学基金获得者，教育部“长江学者”特聘教授，化学系系主任。94-01年就读于西北大学，获本科、硕士学位；04年获清华大学博士学位。04-07年任清华大学化学系助理研究员、副教授，07年起任清华大学教授。主要从事无机纳米材料化学研究，在无机纳米晶体新结构控制合成、形成机制及组装领域取得了一些进展。共发表SCI论文200余篇。
兼任《化学学报》编委、《中国科学：化学》编委，Editorial board member of Advanced Materials，Editorial board member of Nano Research，ScientificEditor of Materials Horizon，Associate Editor of ScienceChina Materials，Associate Editor of Science Bulletin，中国化学会副秘书长。曾获首届科学探索奖（2019）、Hall of Fame （AdvancedMaterials, 2018）、国际溶剂热水热联合会ISHA Roy-Somiya Award （2018）、Fellow of the Royal Society ofChemistry（2015）、首届高等学校科学研究优秀成果奖（科学技术）青年科学奖（2015）、第八届“中国化学会－巴斯夫青年知识创新奖”、2009年第十一届中国青年科技奖、2009年“中国化学会-英国皇家化学会青年化学奖”、2005 IUPAC Prize for Young Chemists等奖励和荣誉。