image: Schematic diagram showing the structural phase evolution of IV-VI TMDs during lithium intercalation and exfoliation, and the corresponding energy mechanism
Credit: ©Science China Press
二维过渡金属硫族化合物（TMDs）是材料界的 “百变选手”，凭借丰富的晶相和相态专属特性，在电子、光电、能源转换等领域具备巨大应用潜力。锂插层技术是调控其晶相、实现高效剥离的核心手段，但此前研究仅聚焦少数 Ⅵ 族 TMDs，大量 Ⅳ-Ⅴ 族材料的锂插层相演化规律长期成谜，成为其从实验室走向产业化的重要壁垒。
近日，香港城市大学曾志远教授、曾晓成教授联合新加坡国立大学罗健平教授、哈尔滨工业大学（深圳）王晓东博士的研究团队，在该领域取得关键突破。团队利用原位 X 射线衍射、原位拉曼光谱结合密度泛函理论计算，首次为 Ⅳ-Ⅵ 族 TMDs 绘制出电化学锂插层相演化 “全景导航图”，打破了仅 2H→1T/1T' 一种相变模式的传统认知。
团队选取 Ⅳ 族 TiS2/ZrS2、Ⅴ 族 NbS2/VS2/TaS2、Ⅵ 族 MoS2 为研究对象，通过原位表征技术捕捉锂插层过程中的动态结构变化，发现四类全新相变模式：TiS2/ZrS2 插层时稳定保持 1T 相；NbS2 仅调整层堆叠方式，从 2H 相变为 3R 相；VS2/TaS2 经历最复杂的相变，从 1T 相经多个中间相变为 2H 相；同时精准定位了 MoS2 的相变起始和完成节点，为定量调控相态提供精准依据。
研究还发现，TMDs 在锂插层后的剥离过程中会发生 “二次变形”，剥离时的化学作用、机械应力、局部热效应会进一步影响晶相结构，为精准调控材料相态打开新思路。团队从结构、能量、电子分布三个维度，揭开了锂插层诱导相变的普适机制：材料会择优选择更稳定的晶相，锂插层降低相变能垒，锂原子的电子转移触发晶相转变，为 TMDs 的相态调控提供了坚实理论支撑。
基于破解的相演化规律，结合十多年技术积累，团队优化出温和的电化学插层剥离策略，成功实现 Ⅳ-Ⅵ 族 TMDs 原子级薄片的宏量制备。制备的纳米薄片分散性好、相结构可控，兼容多种沉积工艺，打破了传统制备方法效率低、规模小的短板，为二维材料的规模化器件集成打下核心基础。
技术的价值最终体现在实际应用中。团队以 TiS2 为模型材料，制备出直径 10cm 的柔性 TiS2 纳米片薄膜，该薄膜柔韧性优异、自带金属光泽，室温电导率达 427 S・cm-1，是已报道同类材料的 2-4 倍。
在此基础上，团队将该 n 型 TiS2 薄膜与 p 型 Bi0.4Sb1.6Te3 薄膜结合，组装出 8 腿柔性热电发电机。该器件表现出卓越性能：53K 温差下最大功率密度达 458.6 W・m-2，开路电压随热端温度线性增长，30K 温差下连续工作 6 小时电压几乎无衰减，界面电阻仅导致 8% 的功率损失，展现出极强的稳定性和实际应用潜力，为可穿戴电子设备自供电提供了全新解决方案。
此次研究填补了 Ⅳ-Ⅴ 族 TMDs 相工程化的知识空白，宏量制备技术打破了实验室小批量制备与工业化生产的技术壁垒。未来，该成果有望推动二维材料在电子、热电、储能等领域的产业化发展，让材料界的 “百变选手” 真正走进日常生活。