納米二維材料發(fā)展和應(yīng)用探究

謝中柱許并社樊建鋒(1太原學(xué)院機(jī)電工程系 山西 太原 030032) (2太原理工大學(xué)新材料工程技術(shù)中心 山西 太原 030024) (3太原理工大學(xué)材料科學(xué)與工程學(xué)院 山西 太原 030024)

納米二維材料發(fā)展和應(yīng)用探究

謝中柱1,2,3許并社2,3樊建鋒2,3
(1太原學(xué)院機(jī)電工程系 山西 太原 030032) (2太原理工大學(xué)新材料工程技術(shù)中心 山西 太原 030024) (3太原理工大學(xué)材料科學(xué)與工程學(xué)院 山西 太原 030024)

納米二維材料自發(fā)現(xiàn)以來(lái)就受到人們的廣泛關(guān)注，經(jīng)過(guò)十幾年的研究和發(fā)展，已經(jīng)研究出很多種類(lèi)的納米二維材料，本文對(duì)納米二維材料的發(fā)展進(jìn)行了概述，并對(duì)納米二維材料制備和應(yīng)用進(jìn)行探究。

納米；二維材料；應(yīng)用探究

1.引言

納米材料自上個(gè)世紀(jì)問(wèn)世以來(lái)一直被科學(xué)家廣泛研究，它是一種在三維空間中至少有一維處于納米尺寸(0.1 ～100nm)或者它們由基本單元構(gòu)成的材料。上個(gè)世紀(jì)60年代科學(xué)家就開(kāi)始對(duì)納米粒子就行研究，并且認(rèn)為如果能夠?qū)崿F(xiàn)對(duì)納米級(jí)的物體操作和控制，可以讓材料在性能產(chǎn)生豐富的變化。科學(xué)家對(duì)于納米材料的研究的發(fā)展過(guò)程主要分為三個(gè)階段，第一階段是主要研究納米材料的制備以及對(duì)其特性的研究，主要研究單一組成的納米材料。第二階段研究人員則利用納米材料的特性進(jìn)行復(fù)合材料的研究。第三階段則更注重于納米組裝體系的研究，二維納米材料就是在這個(gè)階段發(fā)現(xiàn)并且深入研究的?，F(xiàn)在，納米技術(shù)已經(jīng)形成為高度交叉的綜合性科學(xué)技術(shù)，是一個(gè)融科學(xué)前沿和高技術(shù)于一體的完整的科學(xué)技術(shù)體系。

2.納米二維材料的發(fā)展

自從2004年石墨烯被英國(guó)科學(xué)家Geim和Novoselov制備出來(lái)以后，二維材料引起了科學(xué)家們的研究熱潮。人們對(duì)于石墨烯的制備方法進(jìn)行了研究，2006年W.A.Heer等人用標(biāo)準(zhǔn)的納米光刻技術(shù)在碳化硅襯底上外延生長(zhǎng)得到石墨烯，K.Mullen等人則發(fā)現(xiàn)了一種可以制備出12nm寬的二維石墨烯納米帶的方法。D.Li課題組發(fā)現(xiàn)了一種大量制備石墨烯的方式，在不利用表面活性劑的條件下通過(guò)化學(xué)轉(zhuǎn)換的方式在靜電作用下制備石墨烯膠體，擴(kuò)大了石墨烯的應(yīng)用范圍。在研究制備方式的同時(shí)，也有很多研究人員對(duì)石墨烯的性質(zhì)進(jìn)行了研究，B.Uchoa等人發(fā)現(xiàn)石墨烯的電子性質(zhì)與摻雜堿金屬或過(guò)渡金屬有很大的關(guān)系，過(guò)渡金屬和碳原子軌道的雜化作用可以導(dǎo)致磁性的不穩(wěn)定，O.Leenaerts等人則發(fā)現(xiàn)了石墨烯對(duì)于小分子CO、NO等具有吸附性，可以應(yīng)用于氣體分子的檢測(cè)[1]。

人們以石墨烯為起點(diǎn)，對(duì)納米二維材料進(jìn)行了研究，發(fā)現(xiàn)了四類(lèi)主要的納米二維材料，主要有類(lèi)石墨烯家族，例如石墨烯、氮化硼都屬于這一類(lèi)，二維過(guò)度金屬硫化物家族，這一類(lèi)中主要是一些具有半導(dǎo)體性質(zhì)的硫化物，還有二維氧化物家族和其他結(jié)構(gòu)的層裝材料[2]。

納米二維材料被廣泛的關(guān)注和研究，目前二維納米材料的研究方向主要有三個(gè)。第一，二維材料的大量制備問(wèn)題需要進(jìn)行深入研究，目前許多二維納米材料不能夠進(jìn)行大量的制備，這給材料的實(shí)際造成了很大的困難，尤其是晶圓級(jí)尺寸的二維材料，缺少大量制備的方法。第二，對(duì)二維材料的納米復(fù)合材料進(jìn)行研究。那你二維材料本身具有很多優(yōu)異的性質(zhì)，進(jìn)行二維材料的納米復(fù)合材料研究，可以在二維材料良好的性質(zhì)基礎(chǔ)上，增加其他納米材料的優(yōu)點(diǎn)，使材料的性質(zhì)更加優(yōu)良。第三，研究納米二維材料的應(yīng)用。納米二維材料具有優(yōu)異的性質(zhì)，具有傳統(tǒng)材料不具有的優(yōu)勢(shì)，深入挖掘其應(yīng)用，使其應(yīng)用更加廣泛，有利于對(duì)社會(huì)的發(fā)展進(jìn)步。

3.納米二維材料的應(yīng)用

隨著科研工作者對(duì)二維材料的深入研究，很多二維材料被開(kāi)發(fā)出來(lái)，并且被廣泛應(yīng)用，下面對(duì)幾種二維材料的制備和應(yīng)用進(jìn)行介紹。

3.1 納米石墨烯復(fù)合材料

石墨烯的發(fā)現(xiàn)和不斷研究讓人們看到了它在應(yīng)用方面的巨大價(jià)值，因此科學(xué)工作者對(duì)石墨烯復(fù)合材料也進(jìn)行了深入的研究。目前人們已經(jīng)發(fā)現(xiàn)了多種石墨烯的制備方法，包括機(jī)械剝離法、化學(xué)氣相沉積、化學(xué)剝離法等，其中機(jī)械剝離法就最先被發(fā)現(xiàn)的石墨烯制備方法，而化學(xué)剝離法則是目前制備石墨烯使用較多，效率較高的方法。

現(xiàn)在人們正在對(duì)納米石墨烯復(fù)合材料做深入的研究，其中納米石墨烯/聚合物復(fù)合材料和納米無(wú)機(jī)/石墨烯復(fù)合材料是現(xiàn)在研究的熱點(diǎn)[3]。制備納米石墨烯/聚合物復(fù)合材料對(duì)于制作方法有很高的要求，目前已經(jīng)發(fā)展的制備方法包括熔融共混法、溶液共混法以及原位聚合法等。納米無(wú)機(jī)/石墨烯復(fù)合材料由于無(wú)機(jī)納米粒子的加入，使石墨烯有了更廣泛的應(yīng)用。目前能夠被應(yīng)用于這類(lèi)材料制備的無(wú)機(jī)納米粒子主要有三類(lèi)，金屬、金屬氧化物和硫化物納米粒子，在制備方法上，主要包括水熱法和電化學(xué)沉積等。

納米石墨烯復(fù)合材料能夠利用石墨烯獨(dú)特的結(jié)構(gòu)特性和導(dǎo)熱導(dǎo)電能力對(duì)一些其他的材料進(jìn)行修飾，石墨烯和無(wú)機(jī)材料的復(fù)合材料就在原有性質(zhì)的基礎(chǔ)上具有了石墨烯的導(dǎo)熱導(dǎo)電性能和機(jī)械強(qiáng)度，例如石墨烯和一些金屬化合物符合，可以改善這些金屬化合物的結(jié)構(gòu)，對(duì)其導(dǎo)電性能進(jìn)行提升，使其在鋰離子電池和光催化方面更具應(yīng)用前景。目前石墨烯復(fù)合材料在鋰離子電池、光敏儀器、微波吸收、凈水等方面都有廣闊的應(yīng)用前景。

3.2 類(lèi)石墨烯過(guò)渡金屬二硫化物

過(guò)渡金屬二硫化物是一種和石墨烯擁有類(lèi)似的二維結(jié)構(gòu)的材料，這類(lèi)材料具有非常好的光學(xué)、電化學(xué)性質(zhì)，這些特性吸引了很多科學(xué)工作者的注意和研究。過(guò)渡金屬二硫化物很早就開(kāi)始被人們所研究，只是對(duì)二維過(guò)渡金屬二硫化物的研究是從近幾年才開(kāi)始興起的，科研人員認(rèn)為這類(lèi)材料擁有很大的發(fā)展?jié)摿Α?/p>

目前這類(lèi)材料的制備方法主要有剝離法、化學(xué)氣相沉積法和水熱法等[4]，目前科研工作者還在研究其它的制備方法，以最大程度上保證這類(lèi)材料的特性，以及在生產(chǎn)成本、質(zhì)量和規(guī)模上取得突破，是這類(lèi)材料能夠?yàn)槿祟?lèi)社會(huì)的發(fā)發(fā)展做出應(yīng)有的貢獻(xiàn)。

二維過(guò)渡金屬二硫化物電子能帶結(jié)構(gòu)具有直接的帶隙，使其在光致發(fā)光、吸收光譜以及光伏效應(yīng)等性質(zhì)上相較于過(guò)渡金屬二硫化物都有所改變。直接的能帶帶隙對(duì)于光的吸收和發(fā)散都有很大的影響，其對(duì)于光的利用更加完全，利用二維結(jié)構(gòu)對(duì)于這種材料對(duì)于光敏性能的提升，人們用單層MoS2薄膜制作了光電晶體管，單層MoS2薄膜也被用于制作LED器件。二維過(guò)渡金屬二硫化物還因?yàn)槠潆娀瘜W(xué)性被用于鋰離子電池和超級(jí)電容器等方面，利用其制作的鋰離子電池在使用壽命和電容等方面都很有優(yōu)勢(shì)，因?yàn)槠鋬?yōu)良的電傳感性能它還被用來(lái)制作傳感器，這種材料制成的傳感器在檢測(cè)限、響應(yīng)速率、識(shí)別度方面都具有很好的能力。

3.3 有機(jī)或金屬—有機(jī)二維材料

有機(jī)或金屬—有機(jī)二維層狀納米材料在化學(xué)可剪裁性方面性能優(yōu)異[5]，目前研究人員正在努力探索這類(lèi)二維材料的制備方式，并且在有機(jī)基二維材料的制備上建立了自上而下和自下而上兩種類(lèi)型的方法。在應(yīng)用方面，這類(lèi)二維材料有望被廣泛應(yīng)用于電子器件、催化和小分子識(shí)別等諸多方面。目前這類(lèi)有機(jī)或金屬—有機(jī)二維材料的制備技術(shù)還不是特別完備，還需要研究人員的改良，在性質(zhì)方面也需要進(jìn)行一定的改進(jìn)。

5.結(jié)論

納米二維材料具有優(yōu)異的性質(zhì)和應(yīng)用前景，并且在許多領(lǐng)域的應(yīng)用上已經(jīng)取得了驚人的成就，但是還有許多性質(zhì)和應(yīng)用需要進(jìn)行不斷的研究。如今各種類(lèi)型的納米二維材料的研究都在不斷的進(jìn)行當(dāng)中，納米石墨烯復(fù)合材料、類(lèi)石墨烯過(guò)渡金屬二硫化物、DNA納米技術(shù)和有機(jī)或金屬—有機(jī)二維材料等二維材料都在不斷的發(fā)現(xiàn)之中，在將來(lái)二維材料將在許多領(lǐng)域發(fā)揮作用。

[1]史偉明.石墨烯和新型二維納米材料的特性研究[D].煙臺(tái)大學(xué)，2011.

[2]張克難.二硫化鉬二維材料及其異質(zhì)結(jié)的制備和光電特性研究[D].中國(guó)科學(xué)院研究生院(上海技術(shù)物理研究所)，2016.

[3]任芳，朱光明，任鵬剛.納米石墨烯復(fù)合材料的制備及應(yīng)用研究進(jìn)展[J].復(fù)合材料學(xué)報(bào)，2014，31(2):263-272.

[4]劉洋洋，陳曉冬，王現(xiàn)英，等.類(lèi)石墨烯過(guò)渡金屬二硫化物的研究進(jìn)展[J].材料導(dǎo)報(bào)，2014，28(3):23-27.

[5]李紹周，黃曉，張華.有機(jī)或金屬-有機(jī)二維納米材料的制備與應(yīng)用(英文)[J].化學(xué)學(xué)報(bào)，2015，73(9):913-923.

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1009-5624（2016）06-0005-02