与石墨相比，石墨烯在以下性能方面有显著提升： 抗拉强度、柔韧性、 导电性以及 导热性。 这一 由单层碳原子组成的二维（2D）纳米材料的发现，激发了人们对其他原子级薄层材料潜在应用的浓厚兴趣。
在此基础上，研究人员一直致力于开发其他具有独特性能和潜在应用的原子级薄层材料。
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什么是石墨烯？
石墨烯是一种由碳原子以六角形晶格排列而成的原子级薄层材料，其开发于2004年首次被报道。这类革命性的二维材料具有极高的比表面积，且比传统的碳基材料更薄、更强、更轻、更具柔韧性。此外，石墨烯极小的尺寸和量子限域效应使其具备了块体材料所不具备的新颖特性，例如透明度和 半导体性. 原子级薄层材料与其他复合材料之间也存在强烈的相互作用，从而产生 有益的协同效应.
原子级薄层材料的三大类别
受石墨烯研究成功的鼓舞，科学家们开始研究其他原子级薄层材料。目前的研究重点是根据成分分类的三种材料类型：
- X-enes： 不含金属的物质，如石墨烯、磷烯、氮化硼、硅烯和石墨相氮化碳
- Metal-X-enes： 含金属的化合物，如过渡金属碳化物、硫属化物、氮化物、氧化物、氢氧化物和卤化物
- Metallenes： 金属和合金，如金烯、锡烯和锗烯，可进一步细分为双金属烯、三金属烯等。
图 1 追溯了自石墨烯发现以来二维材料的研究历史。
图 2 展示了原子级薄层材料的子类别及其包含的各类材料、重要性质以及它们与各种应用之间的关系。
原子级厚度金层的独特性能
在目前积极开发的金属烯中，金烯（单层金原子）带来了非凡的科学新可能。金烯有望展现出独特的催化性能和光学特性，在催化和光电子学领域具有广阔的应用前景。
是什么让金烯成为太阳能电池、传感器、电池及其他电子设备中极具潜力的候选材料？
- 厚度： 金烯的厚度比商用金箔薄 400 倍，预计厚度为 0.2-0.4 nm。早期关于负载在基底上的原子级厚度金层的研究表明，其具有半导体特性，带隙为 0.95-2.85 eV。
- 键能： 金烯的计算键能为 0.94 eV，由于每个原子的键数较少，该数值高于块体金的 0.52 eV。
- 弹性： 预计 Goldene 的弹性（杨氏）模量为 226 GPa，高于 块体金的 76-80 GPa 以及 金纳米片的 60 GPa，且与 A36 钢相近。
考虑到黄金的高昂成本，Goldene 的机械性能可能显得不那么重要，因为这些应用通常需要大量的材料。然而，Goldene 在电学、催化、光学和生物医学性能方面的提升至关重要，因为许多新兴且关键的技术都对其有迫切需求。
Goldene 的潜在应用
原子级厚度金层的应用前景更为令人振奋。除了装饰和贸易用途外，金在科学和技术领域已是一种重要的金属，其应用涵盖电子学、多相催化、 电催化、 传感器、光子学以及 生物医学由于该技术尚属新兴领域，迄今为止关于原子级厚度金层的文献数量有限。因此，我们选择回顾包含稍厚金纳米结构（如纳米片、纳米板和薄膜）的文献，以分析二维金的已知应用。
我们分析了 CAS Content Collection™ 中关于金属烯和二维金的文献索引关键词（图 3）。在报道金属烯的文献中，主要概念与电催化和电化学储能相关，这主要是因为金属烯多由金以外的贵金属（如钯、铑、铂）制成， 及其合金。
相比之下，与二维金纳米结构相关的文献则强调了其在传感器、药物递送、光热疗法和多相催化等方面的应用。这主要归功于仅有少数金属（如金和银）所表现出的独特表面等离子体共振特性。金的惰性和生物相容性，结合其电学和独特的光学性质，使其成为生物医学应用中备受信任的材料。
阻碍金烯发展的挑战
为了挖掘这种创新材料的潜力，研究人员正致力于克服诸多挑战，以使金烯能够实现广泛应用。
在三类原子级厚度材料中，金属烯的合成最具挑战性。这是因为大多数金属键的各向同性本质，使其倾向于形成紧密堆积的结构，如纳米颗粒和一维（1D）纳米结构。相比之下，许多非金属和过渡金属化合物由通过范德华力结合的层状结构组成，这使得它们更容易通过 自上而下的方法分离成单层。
目前已合成了大量的金纳米颗粒、一维和二维纳米结构，并在 各种应用中展现出高性能。然而，原子级厚度二维金的制备仍然难以实现。目前报道的大多数二维金纳米结构要么是 原子级厚度的层 负载在 其他材料 或由 多原子层。原子级厚度的金层具有强烈的热力学倾向，会聚集成 不连续薄膜 由 纳米颗粒岛。
一份关于金烯合成的 2022 年报告曾受到其他科学家的质疑，他们认为该材料是由多个金原子层而非单层制成的。然而，一份 近期报告 关于金烯合成的研究，通过表面活性剂和配体稳定了原子级厚度的金层，该研究已 引起了广泛关注。
金烯的一个潜在缺点是其抗拉强度仅为 12 GPa，远低于 块体金的 100-200 GPa。此外，必须考虑在不使用表面活性剂和配体的情况下稳定金烯的挑战，因为这些分子在表面的存在会显著阻碍金所具备的、备受期待的表面依赖特性。
金烯的未来是否光明？
金烯开发的规模化潜力及其应用广度尚待观察。然而，毫无疑问，原子级厚度材料独特而迷人的特性将继续吸引学术研究和商业兴趣。
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