化工学院万骏团队在《Appl. Phys. Rev.》上发表先进微波策略构建二维能源材料的最新成果

近日，武汉纺织大学化工学院、省部共建纺织新材料与先进加工技术国家重点实验室徐卫林院士团队的万骏教授，与中国科学院深圳先进技术研究院金桓宇研究员合作，在《Applied Physics Reviews》上发表了题为“Exploring advanced microwave strategy for the synthesis of two-dimensional energy materials”的论文。武汉纺织大学为第一单位。蔡婧妍、吴植傲、王桑妮为共同第一作者。该论文详细剖析了微波与材料相互作用的基本物理原理，展现了微波技术在二维材料合成与结构优化中的独特优势（图1）。

《Applied Physics Reviews》是美国物理联合会（American Institute of Physics, AIP）旗舰杂志，主要发表应用物理和相关交叉学科的最新研究成果和综述，是物理学领域广受认可的权威学术期刊。

图1 微波技术优化制备二维能量材料

文章信息

Exploring advanced microwave strategy for the synthesis of two-dimensional energy materials

Jingyan Cai,^#,1 Zhiao Wu,^#,1 Sangni Wang,^#,2 Jiayue Guo,¹ Miao Fan,¹ Weilin Xu,¹ Huanyu Jin,*^,2 Jun Wan*^,1

Applied Physics Reviews

Accepted: 12 October 2024

本文亮点

本综述立足于电磁波与物质相互作用的基础物理原理，系统阐述了微波在二维材料制备过程中的独特物理效应（图2）。论文首先从介电损耗、导电损耗及磁损耗等核心机制入手，揭示了微波加热如何通过调控电磁场参数，快速、均匀地将能量转化为热量，极大提升了反应速率和材料结构控制的精度。研究团队进一步深入分析了电场与磁场在微波辐射中的传播规律，并引用经典麦克斯韦方程组解释了微波在不同介电环境中的热效应及材料吸收行为的物理基础。这些理论基础有效支持了微波技术在二维材料合成中的快速、精确及高效的优势。

图2 微波原理及行为机制

在实验应用方面，文章对多种微波辅助合成方法进行了物理视角下的讨论，包括微波等离子体沉积、微波热冲击等新兴策略（图3）。研究表明，这些方法利用了微波在纳米级材料合成中的独特物理特性，例如极快的加热和冷却速率、极高的局部电磁场强度，以及显著提升的反应动能。特别是，微波辐射在二维材料中的局部热效应显著增加了原子缺陷的引入和结构重排的可能性，从而有效调控了材料的带隙、导电性和界面活性。这些新兴技术不仅在高效合成石墨烯、MXene和过渡金属硫化物等二维材料方面展现出优势，也为探索新型低维物理现象提供了实验基础。

图3 微波辅助二维纳米结构生长示意图

研究意义

微波辅助二维材料合成技术通过深度挖掘电磁波与材料相互作用的物理机制，加速了新材料的快速发展。微波技术展现了在原子结构调控、带隙调整以及电荷传输路径优化方面的独特能力，为材料物理性能的提升提供了新视角。该综述不仅奠定了理解微波在二维材料合成中物理学意义的理论基础，还为未来在原子级别材料特性控制上的应用前景提供了指导。论文内容涵盖了当前物理技术在材料科学中的关键突破，并勾勒出微波技术在工业化生产中的巨大潜力。作为物理学与材料科学的交叉前沿，微波辅助合成不仅为高性能功能材料的开发带来了新方案，更成为调控物理特性、实现功能提升的关键力量。

近期团队相关进展

该团队长期围绕新型微波策略与能源转换展开研究，近日还在Angew. Chem. Int. Ed.、J. Mater. Chem. A上发表了相关论文：

(1) Harnessing the Unconventional Cubic Phase in 2D LaNiO₃ Perovskite for Highly Efficient Urea Oxidation, Angew. Chem. Int. Ed. 2024, e202413932 （DOI：org/10.1002/anie.202413932, 非平衡微波热冲法对非常规相的设计研究）;

(2) Dynamic Active Sites in Electrocatalysis, Angew. Chem. Int. Ed. 2024, 2024, e202415794 （DOI：org/10.1002/anie.202415794，电催化过程中活性位点实时行为的影响研究）;

(3) Frustrated Lewis Pair Chemistry in 2D CeO₂ for Efficient Alkaline Hydrogen Evolution, J. Mater. Chem. A 2024（DOI：10.1039/D4TA06191H，受阻路易斯酸碱对析氢活性的影响研究）。