过渡金属氧族化合物（Transition Metal Oxides and Chalcogenides, TMOCs）是由过渡金属元素(M)和氧族元素(O，S，Se，Te)结合而形成的化合物，因其具有良好的光、电、催化等性能，一直备受人们的关注。近期，中国科学技术大学国家同步辐射实验室宋礼教授课题组在具有稳定金属相的二维层状WS2量子功能材料的设计策略、可控合成和基础应用方面取得重要进展。
Figure 1: Stable metallic 1T-WS2nanoribbons intercalated with ammonia ions.[1]
二硫化钨（WS2）是典型的二维层状TMOCs，具有两种截然不同的晶体结构：金属相1T 和半导体相2H。在1T 构型中，单分子层内中心金属W原子与6个硫属原子成八面体配位，而在2H构型中，金属W原子与硫原子形成三棱柱配位结构。值得关注的是，通过碱金属插层或者电子束照射，稳定的半导体2H-WS2可以实现向1T-WS2的相转变，从而表现出金属性。但是由于插层碱金属在空气中极其不稳定，这种1T-WS2在极短的时间内就会迅速退化成为稳定的2H相。因此，具有稳定金属相的WS2的制备是1T-WS2进一步研究和应用的关键所在。近期，宋礼课题组利用一种原位化学方法，设计铵根离子（NH4+）插层的策略，成功地实现了一种具有稳定金属相的1T-WS2纳米带（N-WS2）。结合同步辐射吸收谱（XAFS）和原子分辨的电镜观测（STEM）等多种手段，他们在N-WS2材料中发现了新奇的zigzag超晶格结构。通过与中国科学技术大学化学与材料学院武晓君教授等课题组合作，进一步从实验和理论上揭示了这种稳定金属相和超晶格结构来源于插层的NH4+。研究结果表明，原位插层的客体NH4+与主体WS2之间存在电子相互作用，使得W-W键发生了扭曲，S面发生滑移，从而形成具有八面体配位的稳定1T-WS2。更加有趣的是，对比半导体2H-WS2，N-WS2独特的结构带来了非常新奇的光电行为，如稳定的金属性和丰富的低波数拉曼散射峰。相关成果发表于国际著名期刊Advanced Materials (2015, 27, 4837-4844) [1]，共同第一作者是博士生刘琴和李秀玲。
Figure 2:Metallic N-WS2as promising agent for near-infrared photothermalablation cancer therapy.[2]
随后，该课题组发现在808nm红外激光的辐照下，N-WS2的水溶液温度会迅速上升，表现出优异的光热效应。在此基础上，通过与中国科学技术大学生命科学学院王钧教授课题组合作，进一步开展了小鼠肿瘤治疗实验。研究结果表明这种新型的纳米材料可以作为高效的NIR光热剂有效抑制和杀死癌症细胞，并且表现出良好的生物相容性。相关结果发表于国际重要的期刊Nano Research (2015, 8，3982-3991) [2]，共同第一作者是博士生刘琴和孙春阳。这些研究结果不仅为二维新型层状TMOCs量子功能材料的可控构筑和相转变提供了新方法和新思路，也将大大拓展其在生物治疗和其他领域的潜在应用前景。
Figure 3:Schematic illustration of synthesis strategies of layered TMOC-based intercalation structures.[3]
基于这些工作，受国内知名化学期刊《化学学报》的邀请，宋礼课题组选取TMOCs为对象，综述了不同种类插层剂的原位插层合成方法（如碱金属插层、非碱金属原子插层、聚合物插层、有机小分子插层、还原氧化石墨烯插层），提出了通过系列方法影响层间作用力以及利用晶体各向异性等工艺来实现新型插层结构的原位合成策略，并展望了新型插层材料在电、磁、光、热、锂电、催化等众多领域的潜在应用前景。相关综述发表于ACTA CHIMICA SINICA (2015, 73，936-943)[3]。
以上研究工作得到了科技部青年973计划、国家自然科学基金、合肥大科学中心高端用户、校创新团队和重要方向培育基金等项目的资助。
