新型二维功能材料及衍生物的设计和制备

二维功能材料的制备方法常见的有以下几种:机械剥离或液相剥离具有面间弱相互作用、面内强共价键合作用的层状材料生成单层或少数层的二维材料;化学合成法;LangmuirBlodgett单分子膜技术法;层层自组装法;化学气相沉积法;分子束外延法和原子层沉积技术法。这些材料及其有机-高分子衍生物具有独特的结构特征和优异的性质,在场效应晶体管、光调制器、锁模和Q开关激光、光限幅、信息和能源存储、射频器件、化学传感器等领域具有重要的潜在应用价值。近年来,除了众所周知的石墨烯外,其他诸如类石墨烯的无机纳米材料(六方氮化硼、过渡金属卤化物、石墨化氮化碳、层状金属氧化物等)、二维聚合物、金属-有机框架、钙钛矿、黑磷等二维材料也被广泛研究或探索。开发或探索更多二维材料应用的关键是设计和制备新颖的二维材料及其有机-高分子衍生物。在不久的将来,兼具规模经济和功能行为的二维材料化学的突破将极大地驱动新型二维材料应用领域的拓展。本文综述了二维材料的基本概念、研究进展、亟待解决的关键问题和未来的发展趋势。     

新型二维功能材料及衍生物的设计和制备

二维功能材料的制备方法常见的有以下几种:(1)机械剥离或液相剥离具有面间弱相互作用、面内强共价键合作用的层状材料生成单层或少数层的二维材料;(2)化学合成方法;(3)Langmuir-Blodgett单分子膜技术法;(4)层层自组装法;(5)化学气相沉积法;(6)分子束外延法和(7)原子层沉积技术法。这些材料及其有机-高分子衍生物具有独特的结构特征和优异的性质,在场效应晶体管、光调制器、锁模和Q开关激光、光限幅、信息和能源存储、射频器件、化学传感器等领域具有重要的潜在应用价值。近年来,除了众所周知的石墨烯外,其他诸如类石墨烯的无机纳米材料(六方氮化硼、过渡金属卤化物、石墨化氮化碳、层状金属氧化物等)、二维聚合物、金属-有机框架、钙钛矿、黑磷等二维材料也被广泛研究或探索。开发或探索更多二维材料应用的关键是设计和制备新颖的二维材料和它们的有机-高分子衍生物。在不久的将来,兼具规模经济和功能行为的二维材料化学的突破将极大地驱动新型二维材料应用领域的拓展。本文综述了二维材料的基本概念、研究进展、亟待解决的关键问题和未来的发展趋势。     

MoS2-石墨烯的制备及其电催化析氢性能的研究

本文利用改进的Hummers方法合成层状的石墨烯,并用原位合成法在石墨烯上负载了颗粒状二硫化钼。通过扫描电子显微镜(SEM)、透射电子显微镜(TEM)、X-射线光电子能谱分析仪(XPS)、粉末X-射线衍射仪(XRD)、比表面及孔隙度分析仪对所合成物质的形貌、结构、比表面积及孔径进行分析;使用电化学工作站测试催化剂的线性循环伏安和Tafel曲线来分析所合成催化剂的电化学析氢性能。结果表明在所有样品中石墨烯/二硫化钼-21.7复合物的电催化性能最好,其在电流密度为-10 mA·cm~(-2)时过电位为-193 mV。     

《新型二维纳米材料》专辑序言——新型二维纳米材料:掀起未来技术革命

二维纳米材料是一种具有片状结构,厚度为纳米量级,而水平尺寸可以无限延展的材料。2004年,曼彻斯特大学Andre Geim小组通过机械剥离法成功从石墨中分离出单原子层石墨烯,由此拉开新型二维纳米材料的帷幕。石墨烯高载流子迁移率、超强的机械性能、良好的热力学稳定性、高热导率和大比表面积,引起科学家对新型类石墨烯二维纳米材料的兴趣。新型二维纳米材料其纳米尺寸的厚度赋予它们非凡的物理、化学、电子和光学特性。例如,由于电子被限定在二维平面,使二维纳米材料在凝聚态物理学和电子/光电设备上成为理想材料;大的平面尺寸使其具有极大的比表面积,有利于暴露表面原子提供更多活性位点。二维纳米材料的这些独特性能,使其在能源存储与转化、电子器件、催化反应、传感器、生物医药等领域均有重要的潜在应用价值。现今,新型二维纳米材料已被研制出将近20多种,诸如石墨烯、石墨相碳化氮(g-C3N4)、过渡金属二硫化物(TMDs)、过渡金属碳化物或氮化物(MXenes)、层状双金属氢氧化物(LDHs)、过渡金属氧化物(TMOs)、Ⅲ~Ⅵ族层状半导体(MX4)和无机钙钛矿型化合物(AMX3)等。本专辑围绕新型二维纳米材料专题,收录了在相关领域具有丰富研究经验的团队所撰写的12篇相关研究的综述文章、研究论文和简报。代表性地呈现新型二维纳米材料在超级电容器、电化学催化、传感、电池、荧光、水处理、阻燃等方面的研究进展,希望借助该专辑的出版,能使广大读者更深入地了解新型二维纳米材料的研究现状和发展趋势,进而推动新型二维纳米材料研究的发展!在此,对本专辑的所有作者、审稿人及编辑部工作人员的卓越工作和辛勤付出表示衷心的感谢!     

层状双金属氢氧化物的剥离方法及其应用

层状双金属氢氧化物(LDHs)是由带结构正电荷的片层和层间阴离子有序组装而成的层状无机化合物, 近期其剥离研究受到关注. 剥离后的LDHs纳米片可被看做“无机高分子”, 具有纳米尺度的开放结构, 既可作为理论研究模型, 又可作为新型基元组装功能复合纳米结构或材料, 具有显著的应用潜力. 本文对LDHs的剥离方法、剥离产物的表征方法及其应用研究现状进行了综述, 并对今后的研究方向进行了展望.     

像“折纸”一样操控双层二硫化钼电子态

<正>复旦大学物理系吴施伟、刘韡韬课题组与龚新高的计算组合作,通过"折纸"方式,研究与天然结构截然不同的二硫化钼双层材料,实现了对二硫化钼能带结构、能谷、自旋电子态等物理特性的操控。相关研究成果8月31日在线发表于《自然—纳米技术》。以二硫化钼为典型的过渡金属二硫属化物是近年来国际上最受关注的二维量子功能材料之一。二硫化钼具有与单原子厚度的"神奇材料"石墨烯类似的二维层状结构,是一种层状的晶体矿物。深入理解其内在机制,对能带结构、能谷等物理特性进行量子操控,对凝聚态物理学与未来新型的电子学、     

层状钴有机膦酸化合物的合成以及变磁行为

从配体C₆H₅CH₂N(CH₂PO₃H₂)₂ (H₄L)出发, 在水热条件下得到了两个层状结构化合物Co₂(L)(H₂O)₂·0.3H₂O (1)和Co₂(L)(H₂O) (2). 在这两个化合物的层结构中分别存在“之”字型和“蝴蝶”型的{Co₄O₆}四核簇结构单元, 相邻四核通过O-P-O桥连形成二维无机层状结构, 有机基团位于层与层之间. 磁性测试表明, 化合物1中存在反铁磁耦合, 并且在低温下表现出场致变磁行为; 我们还对化合物1的脱水样品(1-de)进行了磁性测试, 测试结果表明化合物1-de存在自旋翻转现象. CCDC: 908112 (1), 908113 (2).     

基于层状过渡金属氧族化合物原位插层结构的研究进展

利用客体插层剂原位插层到二维层状材料, 不仅能够在原子尺度上实现对材料电子结构和本征物理性质的调控, 提高材料的载流子浓度、迁移率、磁学、光学和热学等物理性质, 而且还有望拓展其在光电子器件、能源存储与转化以及光电催化等方面的应用. 近年来, 探索合适的方法制备具有不同类型和功能的二维插层新结构已逐渐成为材料科学、物理、化学等领域的研究热点. 由于独特的电子结构和优异的性能, 二维层状过渡金属氧族化合物材料作为插层主体的插层结构受到了研究人员的广泛关注. 本文选取过渡金属氧族化合物为对象, 综述了不同种类插层剂原位插层合成方法(如碱金属插层、非碱金属原子插层、聚合物插层、有机小分子插层、还原氧化石墨烯插层), 提出了通过系列方法影响层间作用力以及利用晶体各向异性等工艺来实现新型插层结构的原位合成策略, 并展望了新型插层材料在电、磁、光、热、锂电、催化等众多领域的潜在应用前景.     

花瓣状微球MoS2/石墨烯复合材料的制备及其电化学性能

采用有利于二维层状结构形成的L-半胱氨酸作为硫源,钼酸钠作为钼源,制备聚乙烯基吡咯烷酮（PVP）辅助水热合成花瓣状微球形貌的MoS₂/还原氧化石墨烯复合电极材料（PVP-MoS₂/RGO）. X射线衍射（XRD）及透射电子显微镜（TEM）证实,经过PVP的适量添加,MoS₂有序堆垛结构的片层数目明显减少. 扫描电子显微镜（SEM）显示,添加适量PVP的MoS₂/石墨烯材料具有分散性更好的花瓣状微球形貌. 上述的少层有序堆垛结构及复合材料的良好分散性缩短了MoS₂中锂离子的嵌入/脱出路径,使其具有更高的容量、循环稳定性和倍率性能.     

二维过渡金属硫族化合物纳米材料的制备与应用研究进展

二维过渡金属硫族化合物（TMDCs）纳米材料是一种新型的类石墨烯材料,具有优异的电学、光学及催化特性.简要介绍了TMDCs的晶体结构和电子特性;详细综述了常用的制备方法,主要包括机械剥离法、水（溶剂）热合成法、化学气相合成法等,并总结了各种方法的优缺点;归纳了二维TMDCs在电子器件、光电器件、传感器、微波吸收、储能和催化等方面的应用研究进展;最后总结了该领域存在的问题,展望了研究前景.     

Decoration of Few-Layer Graphene-Like MoS2 and MoSe2 by Noble Metal Nanoparticles

Graphene has been decorated by nanoparticles of noble metals and other inorganic materials. In the present study, we have decorated graphene-like MoS₂ and MoSe₂, containing 3–5 layers, with Au, Ag and Pt nanoparticles. We have characterized these nanocomposites using X-ray diffraction, electron microscopy and absorption spectroscopy. The studies reveal that the surfaces of the layered inorganic materials get uniformly coated with the noble metal nanoparticles. There are indications that the interaction of the metal particles with these layered materials is rather weak.     

Functionalization of Liquid‐Exfoliated Two‐Dimensional 2H‐MoS2

Layered two‐dimensional (2D) inorganic transition‐metal dichalchogenides (TMDs) have attracted great interest as a result of their potential application in optoelectronics, catalysis, and medicine. However, methods to functionalize and process such 2D TMDs remain scarce. We have established a facile route towards functionalized layered MoS₂. We found that the reaction of liquid‐exfoliated 2D MoS₂, with M(OAc)₂ salts (M=Ni, Cu, Zn; OAc=acetate) yielded functionalized MoS₂–M(OAc)₂ materials. Importantly, this method furnished the 2H‐polytype of MoS₂ which is a semiconductor. X‐ray photoelectron spectroscopy (XPS), diffuse reflectance infrared Fourier transform spectroscopy (DRIFT–IR), and thermogravimetric analysis (TGA) provide strong evidence for the coordination of MoS₂ surface sulfur atoms to the M(OAc)₂ salt. Interestingly, functionalization of 2H‐MoS₂ allows for its dispersion/processing in more conventional laboratory solvents.     

MoS2/g-C3N4复合材料的制备及可见光催化性能

首先在N-甲基吡咯烷酮溶液中超声剥离得到少层的MoS₂,将其与石墨相氮化碳（g-C₃N₄）复合,制得MoS₂/g-C₃N₄复合材料。采用X射线衍射（XRD）,扫描电镜（SEM）,X射线光电子能谱（XPS）,傅里叶变换红外光谱（FTIR）,Raman光谱,紫外-可见漫反射吸收光谱（DRS）和光致荧光（PL）技术对复合材料进行表征。可见光下考察MoS₂/g-C₃N₄复合材料光催化降解罗丹明B（RhB）的活性,结果表明：将少量MoS₂与g-C₃N₄复合可明显提高光催化活性,且1%（w/w）MoS₂/g-C₃N₄复合物的光催化活性最高,可能的原因是MoS₂和g-C₃N₄匹配的能带结构,增大了界面间电荷的传输,降低了光生电子-空穴的复合,进而提高了光催化活性。     

MoS_2/g-C_3N_4复合材料的制备及可见光催化性能

首先在N-甲基吡咯烷酮溶液中超声剥离得到少层的MoS_2,将其与石墨相氮化碳(g-C_3N_4)复合,制得MoS_2/g-C_3N_4复合材料。采用X射线衍射(XRD),扫描电镜(SEM),X射线光电子能谱(XPS),傅里叶变换红外光谱(FTIR),Raman光谱,紫外-可见漫反射吸收光谱(DRS)和光致荧光(PL)技术对复合材料进行表征。可见光下考察MoS_2/g-C_3N_4复合材料光催化降解罗丹明B(Rh B)的活性,结果表明:将少量MoS_2与g-C_3N_4复合可明显提高光催化活性,且1%(w/w)MoS_2/g-C_3N_4复合物的光催化活性最高,可能的原因是MoS_2和g-C_3N_4匹配的能带结构,增大了界面间电荷的传输,降低了光生电子-空穴的复合,进而提高了光催化活性。     

Directly Imaging and Regulating the Nanoscale Inhomogeneity of S-Vacancies in Molybdenum Disulfide Monolayer during Electrocatalytic Hydrogen Evolution

The study of electron transfer event on two-dimensional (2D) layered transition metal dichalcogenides has attracted tremendous attentions attributing to their promising applications in electrochemical devices. Herein, we demonstrate an opto-electrochemical strategy to directly map and regulate electron transfer event on molybdenum disulfide (MoS₂) monolayer by combining bright field (BF) imaging technique with electrochemical modulation. The heterogeneity of electrochemical activity on MoS₂ monolayer down to nanoscale is resolved spatiotemporally. The thermodynamics of MoS₂ monolayer is measured during electrocatalytic hydrogen evolution, and the Arrhenius correlations are obtained. We validate that the defect generation engineered by oxygen plasma bombardment dramatically enhances the local electrochemical activity of MoS₂ monolayer, which can be attributed to point defects of S-vacancies as evidenced. Furthermore, by comparing the difference of electron transfer event on MoS₂ with various layers, the interlayer coupling effect is uncovered. This study represents a facile method to image the heterogeneity of electrochemical properties for nanomaterials with atomic thickness and regulate the local activity within the plane by extrinsic factors. It also has potential applications in the design and evaluation of high-performance layered electrochemical systems down to nanoscale.     

片状MoS2/MoS1.5Se0.5纳米复合材料的制备及其摩擦学性能研究

将钼粉与升华硫和硒粉的混合粉末按一定化学计量比混合,通过固相反应法成功制备出了均匀的片状纳米颗粒。分别使用X射线粉末衍射仪(XRD)、扫描电子显微镜(SEM)以及透射电子显微镜(TEM)对该纳米粉体进行结构表征和分析,发现该粉体为MoS2/MoS1.5Se0.5混合晶相,晶粒尺寸在300~600 nm,厚度约为5 nm的片状结构。将该MoS2/MoS1.5Se0.5纳米片作为润滑油添加剂添加到基础油中,使用UMT-2型摩擦磨损试验机对其摩擦学性能进行测试,并对摩擦机理进行了解释,结果表明MoS2/MoS1.5Se0.5纳米片作为润滑油添加剂具有良好的减摩抗磨性能。     

High‐Yield and Damage‐free Exfoliation of Layered Graphdiyne in Aqueous Phase

The two‐dimensional carbon material graphdiyne (GDY) holds great promise as a semiconductor and porous material, however, exfoliation of bulk GDY into single‐ or few‐layered GDY in the aqueous phase remains a challenge. We report an efficient method for the damage‐free exfoliation of bulk GDY into single‐ or few‐layered GDY with high yield in an aqueous solution of inorganic salts (e.g., Li₂SiF₆). This was confirmed by spherical‐aberration‐corrected scanning transmission electron microscopy, scanning/transmission electron microscopy, atomic force microscopy, Fourier transform infrared/Raman spectroscopy, X‐ray photoelectron spectroscopy. The method gives high exfoliation efficiency (75 wt %) without creating additional structural defects or oxides in the exfoliated GDY. Theoretical calculations suggest that non‐covalent adsorption of the anion, diffusion of the cation, and subsequent repulsive forces between adjacent flakes are the main driving force for the efficient exfoliation.     

Precise Tuning of the Charge Transfer Kinetics and Catalytic Properties of MoS2 Materials via Electrochemical Methods

MoS₂ has become particularly popular for its catalytic properties towards the hydrogen evolution reaction (HER). It has been shown that the metallic 1T phase of MoS₂, obtained by chemical exfoliation after lithium intercalation, possesses enhanced catalytic activity over the semiconducting 2H phase due to the improved conductivity properties which facilitate charge‐transfer kinetics. Here we demonstrate a simple electrochemical method to precisely tune the electron‐transfer kinetics as well as the catalytic properties of both exfoliated and bulk MoS₂‐based films. A controlled reductive or oxidative electrochemical treatment can alter the surface properties of the film with consequently improved or hampered electrochemical and catalytic properties compared to the untreated film. Density functional theory calculations were used to explain the electrochemical activation of MoS₂. The electrochemical tuning of electrocatalytic properties of MoS₂ opens the doors to scalable and facile tailoring of MoS₂‐based electrochemical devices.     

Hydrothermal exfoliated molybdenum disulfide nanosheets as anode material for lithium ion batteries

Ultrathin MoS2nanosheets were prepared in high yield using a facile and effective hydrothermal intercalation and exfoliation route. The products were characterized in detail using X-ray diffraction, scanning electron microscopy, transmission electron microscopy and Raman spectroscopy. The results show that the high yield of MoS2nanosheets with good quality was successfully achieved and the dimensions of the immense nanosheets reached 1 μm–2 μm. As anode material for Li-ion batteries, the as-prepared MoS2nanosheets electrodes exhibited a good initial capacity of 1190 mAh g-1and excellent cyclic stability at constant current density of 50 mA g-1. After 50 cycles, it still delivered reversibly sustained high capacities of 750 mAh g-1.