自2000年起，瑞典林雪平大学拉尔斯·霍特曼（LarsHultman）教授和团队开始研究一种过渡金属碳化物（MAX相）Ti3SiC2。

Ti3SiC2是MAX相大家族的成员（M是过渡金属，A是元素周期表中的A族元素，X是C和/或N）。

通过此，该课题组提出了制备高质量单晶薄膜材料的方法，该材料具有像陶瓷一样的稳定性，并且像金属一样具有导电性和延展性。关于这一成果的相关论文已于2002年发表。

历经几代研究生的探索之后，拉尔斯·霍特曼和几名团队成员，成为了MXene（几个原子层厚度的过渡金属碳化物）的共同发明者。

对于MXene来说，如果A层（Si）被蚀刻掉，碳化物薄膜就可以被剥离[1]。关于这一工作的相关论文，则于2011年发表在AdvancedMaterials，目前已被引用8900多次。

几年后，课题组计划在Ti3SiC2上制备电学接触，并首先尝试使用Au。

然而这个实验以失败告知，因为Au吸收了所有的Si，Si被氧化从而会导致材料绝缘。

但是，为了观察Ti3SiC2的完整性，该团队使用电子显微镜，来观察横截面时发现：所有Si原子层可能都消失了，转而出现了Au的原子层。

因此，Si和Au之间存在交换插层过程，由此他们产生了新的想法。2016年，该课题组通过在Ti3SiC2中嵌入Au成功制备了Ti3AuC2。

通过相互扩散的过程，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，相关论文发表于NatureMaterials[2]。

受此启发，霍特曼教授于2019年将制备MXene的概念加以反转，即通过蚀刻MAX相薄膜中的M和X（Ti3C2）层，释放出单原子厚度的A（Au）层。

研究伊始，石宇辰等人并不知道如何从模板材料中得到这些Au层。Ti3AuC2这种材料非常稳定，并且耐受于绝大多数化学品。

后来，霍特曼教授与同校的约翰拿·罗森（JohannaRosen）教授，带领团队成员柏屋骏（ShunKashiwaya）和石宇辰，一起寻找可能有效的蚀刻剂。

其中，他们还使用了村上试剂（Murakami’sreagent），这是一种碱性铁氰化钾溶液，大约一百年前一些铁匠曾用它来蚀刻钢中的碳化物。

自从石墨烯被发现以来，二维材料凭借特殊的性能引起了学界广泛的研究兴趣。

然而，仅包含金属、尤其是贵金属的二维材料的合成，仍然存在一定挑战性。

而Au对于电子、催化、生物医学等领域都很重要。因此，课题组希望创造出一种金烯，并从材料、物理和电学等方面研究其基本特性。

期间，石宇辰和同事针对模板材料（Ti3AuC2）的制备、透射电镜样品制备、蚀刻条件、以及材料表征，进行了大量的实验和讨论。

实验初期，他们使用浓度很高的铁氰化钾溶液，并观察到了蚀刻速度非常之快，快到Au从碳化物中释放出以后竟然可以形成Au纳米颗粒。

这时，他们意识到试剂必须精确稀释，因为Au对蚀刻条件极其敏感。

并且蚀刻必须在黑暗下进行，原因在于光会触发试剂中氰化物离子（对Au有腐蚀作用）的形成。

找到合适的蚀刻浓度之后，他们观察到非常少量的金烯，但是它们非常容易卷曲和团聚。

于是，石宇辰等人意识到：必须在溶液中加入某种可以稳定金烯的表面活性剂。在尝试多种表面活性剂之后，他们得到了更加稳定的金烯。

获得主要实验结果之后，其又意识本次工作还需要一定的理论计算支撑。

2022年，该团队的另一位同事大卫·桑乔瓦尼（）针对Au的单原子层进行第一性原理计算。

结果表明：理想情况下，金烯可以脱离基底支撑并能稳定存在。

在对金烯进行多种材料表征之后，本次研究的实验部分和理论数据趋于完整。

日前，相关论文以《合成单原子层金的金烯》（Synthesisofgoldenecomprisingsingle-atomlayergold）为题发在NatureSynthesis。

柏屋骏和拉尔斯·霍特曼教授担任共同通讯作者[3]。

其中一名审稿人指出：“这项工作的新颖性是双重的。”

首先，传统做法主要涉及在MAX相中A层的选择性刻蚀，这使得MAX中MX的选择性刻蚀成为一种新颖的方法。

其次，创造出可剥离的金烯本身就代表了这项研究的前沿性。

总的来说，本次成果能够带来一些潜在的催化应用中。

课题组最希望实现的应用目标是电催化制氢，即利用金烯的高表面积、高体积比、以及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，像Au纳米颗粒一样的是，金烯在生物传感、靶向治疗等领域也具备一定的应用前景。

需要注意的是，本次制备方法采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，并且不会被释放。

由于铁氰化钾在酸性条件下，会生成剧毒氰化氢气体，因此他们提前加入了氢氧化钾，使溶液始终保持为碱性。

另外，铁氰化钾本身对水生生物有毒，所以需要小心处理。

值得注意的是，许多材料生产中的蚀刻工艺，常常会使用剧毒有害的化学物质，例如氢氟酸。而铁氰化钾的毒性相对来说要小得多。

此外，由于制备金烯的关键之一是碱性铁氰化钾的高度稀释（百分之一或更低的浓度），因此铁氰化钾的使用量必须尽可能地少。

而在后续，他们将探索金烯的基本特性，并进一步优化合成工艺，以增加金烯的面积和产量。

此外，他们也打算使用本次合成方法，来剥离Au以外的其他二维贵金属的原子片。

参考资料：

1.Two-DimensionalNanocrystalsProducedbyExfoliationofTbAIC2,MichaelNaguib,,VolkerPresser,,,,,,,AdvancedMaterials23（2011）4248.

2.SynthesisofTi3AuC2,Ti3Au2C2,Ti3lrC2bynoble-metalsubstitutioninTi3SiC2,,,,,,,,,,,（2017）814）

3.Kashiwaya,S.,Shi,Y.,Lu,,744–751(2024).

运营/排版：何晨龙