关于卟啉基二维单原子层材料的探究与分析

来源：X一MOL资讯

在石墨烯被发现之前，物理学家普遍认为在单原子层厚度下，热力学涨落会造成二维材料的不稳定性和不连续性。2004年, 英国曼彻斯特大学的科学家康斯坦丁诺沃肖洛夫（K. S. Novoselov）和安德烈海姆（A. K. Geim）在实验室中通过机械剥离法成功制备出石墨烯。石墨烯的发现立即吸引了全世界科研工作者的关注，也开启了二维单原子层材料研究的新纪元。在随后的十几年里，新的二维单原子层材料也不断地被发现并利用，例如磷烯（Phosphorene）、硅烯（silicene）、锡烯（stanene）、锗烯（germanene）、MXene（二维过渡金属碳化物、氮化物或碳氮化物）、过渡金属二硫属化物（TMD）以及新的碳同素异形体石墨炔等。这些由一个或多个元素构成的二维单原子层材料均取得了巨大的成功。因此，发现并应用新型单原子层二维材料将会给各个研究领域带来新的机遇。

近日，清华大学王训团队通过简易的方法，制备了厚度仅为2.8 Å的卟啉基单原子层二维材料（PML）。虽然1 nm~2 nm厚的卟啉基超薄纳米片已有多次报道，但大批量制备自支撑的毫米级卟啉基单原子层二维材料仍具有重大的挑战性。卟啉基单原子层是由金属卟啉单体通过交联反应形成单原子层材料，具体的分子结构示意图和放大图如图所示。其厚度非常均匀，仅为0.28 nm，与单个卟啉环的理论原子厚度（2.7 Å） 完全吻合。在形貌上卟啉基单原子层和石墨烯高度相似，更有意思的是卟啉基单原子层的XRD谱图与氧化石墨烯高度吻合。

卟啉基单原子层材料在催化领域占有天生的优势。第一，单原子层结构能将传质速率实现最大化，同时也可以实现催化位点的100%利用率。第二，与传统二维材料通过制造缺陷引入催化位点相比，卟啉基单原子层的均一性和周期性结构使所有金属催化位点高度统一。第三，单原子层中卟啉基元的金属催化位点是可调控的，从而表现出金属催化位点与产物之间的构效关系。研究使用卟啉铜和卟啉金为单体，分别制备了以Cu-N4和Au-N4为催化位点的两种卟啉基单原子层材料。在CO2电催化过程中，以Cu-N4为催化位点的单原子层对HCOO-和CH4具有高选择性（-0.7 V下法拉第效率分别为80.9%和11.5%），而以Au-N4为催化位点的单原子层主要生成HCOO-和CO（-0.8 V下法拉第效率分别为40.9%和34.4%）。
简而言之，卟啉基单原子层是一种全新的二维单原子层材料，还有一系列新颖的理化性质和应用机会等待去发掘。