自2000年起，瑞典林雪平大学Lars Hultman教授及其团队开始研究过渡金属碳化物（MAX相）Ti3SiC2。 Ti3SiC2 是MAX 相大族的成员（M 是过渡金属，A 是周期表A 族元素，X 是C 和/或N）。通过此，研究小组提出了一种制备高质量单晶薄膜材料的方法，该材料像陶瓷一样稳定，像金属一样导电和延展。关于这一结果的论文于2002 年发表。经过几代研究生的努力，Lars Holtmann 和几位团队成员成为MXene 的共同发明者，MXene 是一种几个原子层厚的过渡金属碳化物。对于MXene，如果A层（Si）被蚀刻掉，碳化物薄膜就会剥落[1]。这项工作的相关论文于2011年发表在Advanced Materials上，被引用超过8900次。几年后，研究小组计划在Ti3SiC2上制备电接触，并首先尝试使用Au。然而，这个实验失败了，因为金吸收了所有的硅，并且硅被氧化，导致材料变得绝缘。然而，为了观察Ti3SiC2的完整性，研究小组使用电子显微镜观察其横截面，发现所有的Si原子层可能都消失了，取而代之的是Au原子层。因此，Si和Au之间存在交换插层过程，由此他们提出了新的想法。 2016年，课题组通过将Au嵌入Ti3SiC2中，成功制备了Ti3AuC2。通过相互扩散过程，Au 取代了天然纳米层压陶瓷中的Si，在化合物内形成了Au 原子片。 2017年，相关论文发表在Nature Materials上[2]。受此启发，Hortmann教授在2019年扭转了制备MXene的概念，即通过蚀刻MAX相薄膜中的M和X（Ti3C2）层来释放单原子厚的A（Au）层。
图片|石宇辰（来源：石宇辰）
研究之初，石宇辰等人并不知道如何从模板材料中获取这些Au层。 Ti3AuC2 这种材料非常稳定并且耐大多数化学品。随后，同校Hortmann教授和Johanna Rosen教授带领团队成员Shun Kashiwaya和Shi Yuchen寻找潜在有效的蚀刻剂。其中，他们还使用了村上试剂，这是一种铁氰化钾的碱性溶液，大约一百年前一些铁匠用它来蚀刻钢中的碳化物。自石墨烯发现以来，二维材料因其特殊的性质引起了学术界的广泛研究兴趣。然而，仅含有金属，特别是贵金属的二维材料的合成仍然具有挑战性。金对于电子、催化、生物医学等领域具有重要意义。因此，研究团队希望创造出一种金矿，并从材料、物理和电学方面研究其基本特性。在此期间，石宇辰和同事对模板材料（Ti3AuC2）的制备、透射电镜样品制备、刻蚀条件、材料表征等方面进行了大量的实验和讨论。实验开始时，他们使用了非常浓的铁氰化钾溶液，观察到蚀刻速率非常快，以至于Au从碳化物中释放出来后可以形成Au纳米颗粒。此时，他们意识到必须精确稀释试剂，因为金对蚀刻条件极其敏感。并且蚀刻必须在黑暗中进行，因为光会引发试剂中氰化物离子（腐蚀金）的形成。在找到合适的蚀刻浓度后，他们观察到非常少量的金色，但它们很容易卷曲和聚集。于是，石宇辰等人意识到，必须在溶液中添加某种能够稳定金黄色的表面活性剂。在尝试了各种表面活性剂后，他们得到了更稳定的金色。在获得主要实验结果后，他意识到这项工作还需要一定的理论计算支持。 2022 年，该团队的另一位同事Davide G. Sangiovanni 对Au 的单原子层进行了第一性原理计算。结果表明，在理想情况下，goldene可以与基底支撑物分离并稳定存在。经过对goldene的各种材料表征后，本研究的实验部分和理论数据已经完成。近日，相关论文在《Nature Synthesis》上发表，标题为《合成单原子层金的金烯》（Synthesis of golde contains single-atomlayer gold）。 Shun Kashiwaya 和Lars Holtmann 教授为共同通讯作者[3]。
图|相关论文（来源：Nature Synthesis）
一位评论家指出：“这项工作的新颖性是双重的。”首先，传统方法主要涉及MAX相中A层的选择性刻蚀，这使得MAX相中MX的选择性刻蚀成为一种新颖的方法。其次，创造可剥落的金色本身就代表了这项研究的前沿。
（来源：Nature Synthesis）
总体而言，这一结果可以带来一些潜在的催化应用。研究小组最希望的应用目标是电催化制氢，利用goldene高表面积、高体积比和丰富的不饱和原子的优势，以最少的Au资源消耗实现更强的催化活性。此外，与Au纳米颗粒一样，goldene在生物传感、靶向治疗等领域也具有一定的应用前景。需要说明的是，该制备方法使用铁氰化钾作为碱性溶液，这意味着氰化物离子被限制在铁氰化钾分子中，不会被释放出来。由于铁氰化钾在酸性条件下会产生剧毒的氰化氢气体，因此他们提前添加了氢氧化钾，使溶液保持碱性。此外，铁氰化钾本身对水生生物有毒，因此需要小心处理。值得注意的是，许多材料生产中的蚀刻过程往往会使用剧毒有害的化学品，例如氢氟酸。铁氰化钾的毒性相对较小。此外，由于制备金黄色的关键之一是碱性铁氰化钾的高度稀释(浓度为1或更低)，因此铁氰化钾的用量必须尽可能少。后续，他们将探索goldene的基本特性，进一步优化合成工艺，以提高goldene的面积和收率。此外，他们还计划利用这种合成方法剥离除Au之外的其他二维贵金属的原子片。参考文献：1. TbAIC2 剥离产生的二维纳米晶体，Michael Naguib、M. Kurtoglu、Volker Presser、J. Lu、J. Niu、M. Heon、L. Hultman、Y. Gogotsi、M.W. Barsoum、Advanced Materials 23 （2011）4248。
2.Ti3SiC2中贵金属取代合成Ti3AuC2、Ti3Au2C2、Ti3lrC2，H.Fashandi, M.Dahlqvist, J.Lu, J.Palisaitis, S.Simak, I.Abrikosov, J.Rosen, L.Hultman, M .Andersson, A.L-Spetz, P.Eklund Nature Materials 16 (2017) 814) 3.Kashiwaya, S. Shi, Y. Lu, J.等人。包含单原子层金的金的合成。纳特。合成3, 744751 (2024)。 https://doi.org/10.1038/s44160-024-00518-4 操作/排版：何晨龙
