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二维纳米材料的普适性制备及其复合材料的力学特性

二维纳米材料的普适性制备及其复合材料的力学特性

超薄二维纳米片具有原子级的厚度及较大的侧向尺寸,拥有较强的面内共价键、对于电子在二维方向的限制作用以及超高的比表面积和表面原子比,通常表现出优于普通块体材料的电学、力学、催化等性能,如石墨烯、金属氧化物、金属硫化物等,受到人们的广泛关注。目前常见的超薄二维纳米片的制备方法主要包括自上而下的剥离法和自下而上的气相沉积法(CVD)和溶剂热法等。但是,剥离法只能将本征具有层状晶体结构的材料制备为二维纳米片,如石墨烯、硫化钼等;CVD法又非常耗时和耗能;溶剂热法常见于过渡金属氧化物纳米片的制备。因此,简单的实现包括主族金属和过渡金属氧化物在内的二维纳米片的可控制备仍是二维纳米材料研究的重点,促进二维纳米材料在更多领域的应用。

中国北京航空航天大学化学学院的郭林教授团队针对这一问题,采用简单的湿化学法,来进行有关金属氧化物二维纳米片普适性制备的研究:以氧化石墨烯为模板,利用金属离子的可控水解,实现了多种主族金属和过渡金属氧化物超薄二维纳米片的制备,如MgO, ZrO2, Al2O3, TiO2, SnO2Sb2O5等,并系统研究了该制备方法的关键因素及金属氧化物的生长机理。

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1. 大尺寸超薄二维金属氧化物纳米片合成示意图

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2. pHMO纳米片形成的影响以及相应合成MO的电镜图片


该研究团队以氧化石墨烯(GO)为模板,利用GO表面的大π键与金属阳离子的静电吸附作用,使得金属阳离子在GO表面牢固吸附;随后通过精确控制液相反应的温度、pH等条件,促使金属阳离子进行可控水解,实现金属阳离子在GO表面成核和生长的平衡,最终得到了沿着GO生长的金属氧化物二维纳米片;最后,通过高温煅烧便可以得到自支撑的金属氧化物纳米片。该制备策略的关键是保证金属阳离子成核与生长的平衡,而不依赖于不同元素本征的物理化学特性,具有较强的普适性。此外,该团队通过实验条件的控制,可以实现超薄二维金属氧化物纳米片厚度的调控。该团队研究了通过上述方法制备得到的二维纳米片的表面化学状态,发现其金属原子和氧原子的电子结合能均相较于标准值有了一定的降低,表明金属原子和氧原子均处于被还原的得电子状态,导致金属氧化物纳米片表面具有独特的富电子状态,这种富电子状态对于材料催化性能、电学性能的提升有较大的帮助。总体来讲,该普适性制备方法可以极大的拓展二维纳米片的种类,简化制备过程,为新型二维纳米材料的制备以及应用提供一定的借鉴。

参考文献:

Hewei Zhao, Yujie Zhu, Fengshi Li, Rui Hao, Shaoxiong Wang, Lin GuoA Generalized Strategy for the Synthesis of Large-Size Ultrathin Two-Dimensional Metal Oxide Nanosheets, Angew. Chem. Int. Ed., 2017, 56, 8766, DOI:10.1002/anie.201703871


郭林教授团队在轻质高强纳米材料方面也取得显著进展,采用低温定向冻融的方法,制备得到不同宏观尺寸(1-4000cm3),微观结构可调(层间距6-12μm,桥连间距9-12μm)的桥连增强陶瓷骨架;采用真空注入及原位聚合技术,将聚合物与陶瓷骨架复合,得到密实的、宏观微观尺寸可调的桥连增强陶瓷基层状复合材料;该桥连增强陶瓷基层状复合材料的密度在2g/cm3以下,抗弯强度达到300MPa,屈服形变可以达到5%,同时抗冲击强度可以达到280MPa。该制备方法突破了纳米材料无法大尺寸制备的瓶颈,使得类似材料的宏量制备成为可能;并且由于多级三维桥连增强结构的加入,使得该材料兼具轻质,高强度,高韧性和耐冲击等特性,拓宽了其应用范围,为轻质高强材料的制备提供了一种新思路。

参考文献:

Hewei Zhao, Yonghai Yue, Lin Guo*, Juntao Wu, YouweiZhang, Xiaodong Li*, Shengcheng Mao, Xiaodong Han*, Cloning Nacre’s 3D InterlockingSkeleton in Engineering Composites to Achieve Exceptional MechanicalProperties. Adv. Mater., 2016, 28: 5099–5105, DOI:10.1002/adma.201600839


其次,郭林教授团队在非晶金属氧化物应用于轻质高强材料方面同样取得显著成果。运用简单的液相反应,创新性的实现了超薄非晶氧化铝原位生长在氧化石墨烯表面,进而采用真空辅助层层组装技术,将该氧化铝增强氧化石墨烯薄片进行组装,得到了自支撑的层状复合薄膜。该薄膜由于非晶氧化铝增强相的均匀分布,实现了强度(305MPa)和韧性(8.2MJ/m3)的同时提高,达到了国际领先水平,为轻质高强材料的制备提供了一种新思路。

参考文献:

Hewei Zhao, Yonghai Yue, Youwei Zhang, Lidong Li*, Lin Guo*,Ternary Artificial Nacre Reinforced by Ultrathin Amorphous Alumina withExceptional Mechanical Properties, Adv. Mater., 2016, 28: 2037-2042,DOI:10.1002/adma.201505511

——转载自南屋实验室


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