第一作者：李欣遠（現清華大學博士后）、紀穆為（現深圳大學副研究員）
通訊作者：李紅博、張加濤
通訊單位：北京理工大學
核心內容：
1. 基于張加濤教授團隊在離子交換策略精準合成納米晶研究成果，介紹了離子交換反應機理的研究進展，概述了離子交換反應策略在精準調控制備無機膠體納米晶方面研究進展，并展示了其應用前景。
2. 為納米合成領域的研究人員提供了有價值的參考，為進一步的合成策略和潛在的應用提供參考。
離子交換反應用于無機膠體納米晶合成
無機膠體納米晶，由于尺寸、形貌、組分調控合成引起的光電性能調控及應用受到了科學界的廣泛關注。在過去的幾十年中，多種合成膠體納米晶的方法被國內外廣泛報道，如熱注入法、水熱法等等，可以獲得大量單分散的膠體納米晶。在納米晶材料的進一步功能化應用過程中，例如異質結構、摻雜以及與尺寸、形貌調控的有效結合具有重要的科學和應用意義。離子交換反應，近幾年逐步發展成為合成可控組成、界面和形貌的無機納米晶的有效策略，在材料化學領域具有重要的科學和應用價值。
例如，與傳統方法相比，逆向競爭陽離子交換反應制備得到的深位點摻雜的量子點，可以提高摻雜量子點的熒光量子產率和熒光壽命；離子交換策略，可以實現在原子級層面調控大晶格失配度下的金屬-半導體異質界面，更有利于等離子激元與激子的耦合以及熱電子的注入，實現高效的光催化產氫；通過離子交換策略實現的無機鈣鈦礦納米晶的組分調控和異價摻雜，可以有效實現其熒光位置調節和熒光穩定性的提高等等。因此，離子交換反應對于液相無機納米晶的合成，具有重要的應用價值。
綜述簡介
近日，北京理工大學張加濤教授團隊在Cell旗下材料學旗艦期刊Matter上發表了題為“Cation/Anion Exchange Reactionstowards the Syntheses of Upgraded Nanostructures: Principles and Applications”的綜述文章（Matter 2020, 2, 554-586），基于團隊在離子交換策略精準合成II-VI族摻雜及異質納米晶及應用方面研究成果，詳細介紹了合成無機納米晶的離子交換反應的反應機理、材料合成進展、性能應用和展望。
圖1. 離子交換反應制備膠體納米晶及其性能研究。
要點1：離子交換反應機理的研究進展
離子交換反應機理的研究進展，主要包括熱力學和動力學研究、溶劑配體的研究、以及材料晶體結構、內部缺陷和空位等的影響。其中，在熱力學理論研究的基礎上，溶劑和配體可以直觀的實現熱力學和動力學的調控，其反應機制的研究對于拓展離子交換反應的應用具有重要意義。張加濤教授團隊近年來深入研究了配體和溶劑等對于逆向競爭離子交換反應機理影響及應用拓展（Angew. Chem. Int. Ed. 2015,54, 3683 –3687; Angew. Chem. Int. Ed. 2019,58, 1 – 7）（如圖2所示）；
圖2. 張加濤教授團隊報道的配體引發的逆向競爭陽離子交換法的機理研究，及其在制備摻雜量子點和核殼納米晶的應用。（Angew. Chem. Int. Ed. 2015, 54, 3683 –3687; Angew. Chem. Int. Ed.2019, 58, 1 – 7）。
要點2：離子交換反應用于無機膠體納米晶制備
離子交換反應策略在精準調控制備在包括合金態/摻雜量子點、異質納米晶、中空納米晶、鈣鈦礦納米晶、二維納米晶等無機膠體納米晶方面研究進展，并展示了其應用前景。其中張加濤教授團隊提出了逆向競爭陽離子交換反應策略并實現了II-VI族量子點深度位置的異價重摻雜，為有效解決自清潔效應引起的穩定摻雜問題提供新方法、新材料（Adv. Mater. 2015, 27,2753–2761，圖3A-B）。并進一步用逆向競爭陽離子交換反應策略實現了水相制備金屬-單晶半導體異質納米晶，在實現高結晶度殼層的同時，可以有效實現其低缺陷的異質界面及應用（NanoEnergy 2019, 57, 57–65，圖3C-D）；
圖3. 張加濤教授團隊報道的離子交換法制備摻雜量子點（Adv. Mater. 2015,27, 2753–2761）和具有高結晶度殼層和低缺陷異質界面的金屬-半導體核殼納米棒的相關結果（Nano Energy 2019, 57, 57–65）。
要點3：離子交換反應合成的納米晶的性能應用研究進展
上述基于離子交換反應精準合成的納米晶的性能應用研究進展，包括熒光調控、光熱性能、光催化/光電催化性能研究、電化學應用等等。例如張加濤研究團隊利用與合作者發現Ag摻雜CdSe量子點的光誘導Ag+向Ag2+轉變和和因此產生的光誘導磁性（Nat. Nanotech.2018, 13, 145-151）以及利用陽離子交換策略制備的具有清晰異質界面的Au@CdS單晶核殼納米晶具有突破性的Plasmon熱電子注入效率（約48%）和高效的光解水產氫性能(Nano Energy 2018, 48, 44–52，圖4A-B)。制備的Au-CdSe棒狀啞鈴型異質結構實現了在近紅外光區（>700nm）的高效光電催化性能(Adv. Energy Mater. 2019, 9, 1803889，圖4C)。制備的Au@HgxCd1-xTe核殼納米棒與單層石墨烯復合，在近紅外光區實現了高達106 A/W的光電探測性能(Nano Energy 2019, 57, 57–65)，以及Au@Cu2-xS核殼納米棒在近紅外區優良的光熱轉化效率和殺死癌細胞的光熱療應用（Adv. Mater. 2016, 28,3094–3101）。
在熒光聚集器領域，李紅博教授報道的半導體-半導體核殼量子點，展現出了重要的應用前景（Nat. Energy 2016, 1, 1-9; Nat. Photon. 2018, 12, 105-110）?；谠谏鲜龉ぷ鞣e累的研究成果，張加濤教授團隊近日也梳理了不同失配度下異質納米晶的合成策略（Chem. Rev. 2020, 120,2123-2170），著重強調了晶格失配下的界面化學對于異質納米晶合成的重要意義。
圖4. 張加濤教授團隊報道的離子交換法制備的Au-CdS核殼納米晶及其光催化產氫性能研究（Nano Energy 2018, 48, 44–52）和Au-CdSe啞鈴狀納米晶在近紅外光區的熱電子成像圖和光電催化產氫性能研究（Adv. Energy Mater. 2019, 9, 1803889）。
小結與展望
最后作者在離子交換反應用于復雜微納結構的精準制備，進一步實現原子級位點和表界面應變的調控等方面進行了展望。
參考文獻
Xinyuan Li, et al. Cation/AnionExchange Reactions toward the Syntheses of Upgraded Nanostructures: Principlesand Applications. Matter, 2020.
DOI:10.1016/j.matt.2019.12.024
https://www.cell.com/matter/fulltext/S2590-2385(19)30415-1
