二維材料（2D materials）因其獨(dú)特的物理和化學(xué)性質(zhì)被產(chǎn)業(yè)界和學(xué)術(shù)界廣泛關(guān)注，但大規(guī)模制備仍然是困擾二維材料廣泛應(yīng)用的瓶頸問題之一。科學(xué)家們報(bào)道了許多制備二維材料的方法，常用的包括剝離法、化學(xué)氣相沉積（CVD）法、化學(xué)合成法等，但是其中大部分工藝復(fù)雜、價(jià)格昂貴、受材料自身結(jié)構(gòu)限制嚴(yán)重。實(shí)現(xiàn)高效、快速、低成本、大規(guī)模的二維材料制備，這一極具挑戰(zhàn)性的課題是無數(shù)科學(xué)家的奮斗目標(biāo)。比如，在X-MOL之前的文章里，就報(bào)道過羅格斯大學(xué)的Manish Chhowalla教授團(tuán)隊(duì)使用普通家用微波爐生產(chǎn)高性能石墨烯（點(diǎn)擊閱讀相關(guān)），也提到過都柏林圣三一學(xué)院Jonathan Coleman教授課題組利用廚房里的豆?jié){機(jī)和粉碎機(jī)實(shí)現(xiàn)了液相剝離法大規(guī)模制備MoS2和石墨烯。[1,2]
種類繁多的二維材料。
近日，華中科技大學(xué)的周軍教授課題組在Nature Communications 雜志上發(fā)表文章，報(bào)道了一種通過熔融鹽法快速合成各種離子插層型二維金屬氧化物和氫氧化物的方法。研究人員認(rèn)為，在普通溶液中進(jìn)行二維材料的合成，首先發(fā)生的是水合離子的去溶劑化過程，這一過程會增加活化能，限制反應(yīng)速率，同時(shí)未完全去溶劑化離子的存在也可能導(dǎo)致晶體變形，降低材料品質(zhì)。因此，他們設(shè)想如果直接利用去溶劑化后的“裸”離子參與反應(yīng)，是不是就能加快反應(yīng)速率、提高二維材料的質(zhì)量呢？
研究人員想到了熔融鹽系統(tǒng)，在熔融態(tài)下離子以“裸”離子形式存在。他們將反應(yīng)前驅(qū)物加入低成本的熔融鹽中1分鐘，然后通過簡單的水洗，就能以高產(chǎn)率得到二維材料。研究人員探究了不同的陽離子插層氧化錳和氧化鎢二維材料的制備，如Na0.55Mn2O4?1.5H2O、K0.27MnO2?0.54H2O、Li2WO4和Na2W4O13，以及陰離子插層氫氧化物，如Zn5(OH)8(NO3)2?2H2O和Cu2(OH)3NO3。
高分辨率透射電子顯微鏡（HRTEM）和選區(qū)電子衍射（SAED）圖像顯示，陽離子插層氧化物和陰離子插層氫氧化物二維材料結(jié)晶度良好。原子力顯微鏡（AFM）測量其厚度小于5納米，證實(shí)這些二維材料僅由幾層原子層構(gòu)成。
推測機(jī)理一直都是做科研時(shí)最頭疼但又不得不面對的事情之一。研究人員給出了兩步機(jī)理：第一步，八面體晶核的成長；第二步，“八面體種子”在熔融鹽離子的影響下進(jìn)一步組裝成二維平面材料。熔融鹽中的“裸”離子在其中起到了關(guān)鍵作用，可迅速形成二維平面，誘導(dǎo)了氧化物及氫氧化物二維結(jié)構(gòu)的生長。該機(jī)理的推斷可以幫助進(jìn)一步研究二維材料的成核和組裝過程。
最后，研究者探究了二維Na2W4O13在固態(tài)柔性超級電容器中的應(yīng)用。通過在A4紙上涂布的方法制備柔性電極，過程快捷、簡便，最高比功率密度可達(dá)1.2 W?cm-3（598.4 W?kg-1），比能量密度可達(dá)3.83 mWh?cm-3（1.33 Wh?kg-1）。
——小結(jié)——
推進(jìn)二維材料從實(shí)驗(yàn)室走向工業(yè)化的過程中，成本低且產(chǎn)率高的制備方法是必不可少的。通過熔融鹽法制備二維材料反應(yīng)時(shí)間僅以分鐘計(jì)，不但可以應(yīng)用于制備不同種類的插層型二維材料，而且產(chǎn)率很高，其中Na2W4O13的產(chǎn)率可以達(dá)到62%。同時(shí)，無需離心后處理，只需水洗，就可以得到目標(biāo)產(chǎn)物，操作簡單迅速，有望實(shí)現(xiàn)商業(yè)化。合成的二維金屬氧化物和氫氧化物具有較大的尺寸和良好的電化學(xué)性能，在超級電容器等儲能領(lǐng)域有著廣泛的應(yīng)用潛力
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