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二维氧化物的通用合成策略

二维材料由于具有特殊的磁学、电学、光学、催化等特性,被广泛用于能源存储、电子器件、催化、光电导等领域的研究。2004年,石墨烯的发现将二维材料的研究推向了一个新的高潮。目前制备二维材料的方法主要有机械剥离法和人工生长法两大类。机械剥离法只适用于本身具有片层结构的材料体系,因而合成的二维材料种类较为有限;人工生长法则要依附于衬底,不能生长自支持的二维材料,且难以避免与衬底之间的相互作用和影响。清华大学材料学院伍晖副教授课题组以氧化石墨烯纸(GO paper)作为模板,通过在氧化石墨烯层间缝隙填充氧化物材料,探索出一种制备二维金属氧化物材料的通用方法。


二维氧化物的通用合成策略


氧化石墨烯作为典型的石墨烯衍生物,具有良好的亲水性,分散液在经干燥或抽滤后,会形成逐层堆叠的层状结构,理论层间距为0.80纳米,被称为氧化石墨烯纸(GO paper)。该团队利用氧化石墨烯纸的二维层间作为合成模板,将氧化石墨烯纸浸润在氧化物前驱体水系溶液中。溶胶在毛细管吸力的作用下渗入氧化石墨烯层间,干燥后形成氧化石墨烯与氧化物前驱体逐层交替堆叠的复合结构。经过简单的绝氧热处理,前驱体转为氧化物插层结构,再经过对氧化石墨烯的高温氧化去除,最终得到金属氧化物纳米片,该结构完整的复制了氧化石墨烯的二维纳米结构。该方法用于合成二维氧化物具有一定的普适性,利用该方法,可以制备TiO2、ZnO、SiO2及 Fe2O3等二维氧化物结构,金属氧化物具有多晶或非晶结构,平均厚度为1-5纳米,具有好的力学柔性。这一类新型的氧化物纳米材料具有二维结构特点,具有丰富的应用前景。例如,通过这种方法制备的Fe2O3纳米片具有高比面积,并且二维纳米薄片之间具有良好电学接触,因此作为锂离子电池电极材料表现出了稳定的电化学性能和较好的倍率性能:1)500个循环下可保持1000 mAh/g的稳定容量;2)6.0 A∙g-1的充放电速率下,3000个循环后仍可保持500 mAh/g的容量。

该工作开辟了一种制备具有自支持结构二维氧化物材料的普适方法,为进一步深入探究二维氧化物材料的特殊性能及应用前景奠定了良好的基础和支持。相关工作发表在Advanced Functional Materials(DOI: 10.1002/adfm.201501358)上

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