絢麗多彩的納米復合材料

徐林，侯文華

1南京師范大學化學與材料科學學院，江蘇省新型動力電池重點實驗室，南京 210023

2南京大學化學化工學院，介觀化學教育部重點實驗室，南京 210023

在納米尺度上復合物理化學性能差別迥異的成分，實現(xiàn)材料的多功能化是納米合成的一個熱點領域。納米復合材料體系中各組分之間可以產生強相互耦合作用，不僅可以增強材料各自的本征特性，而且還可能表現(xiàn)出許多新奇的物化特性，從而突破單一組分材料性能的局限，在新型功能材料研發(fā)、能源轉化和儲存、環(huán)境保護與污染處理和生物醫(yī)藥等領域具有廣泛應用。隨著合成技術和表征手段的快速發(fā)展，人們已可以在原子和分子水平上控制納米復合材料的合成，觀察復合材料不同成分的界面結構，揭示復合材料不同組分間的耦合原理，并調控復合材料的物化性能。本專輯中收集了我國部分科學家在相關領域的研究成果，將展示一系列納米復合材料的可控合成、結構表征及其在光催化、電催化、能源儲存等領域應用方面的最新進展。

將不同化學組分在納米尺度上進行可控整合具有一定的挑戰(zhàn)性。楊軍等1利用貴金屬在Ag2S納米顆粒中空位互換的擴散機制或半導體納米顆粒的自純化機制，將預合成的貴金屬(Au、Ag、Pd和Pt)和Ag2S形成的核殼結構自發(fā)演變成由貴金屬和Ag2S構成的異質納米二聚體結構，如Au-Ag2S、Ag-Ag2S、Pd-Ag2S和Pt-Ag2S。利用貴金屬在半導體中的遷移可以用來制備一些常規(guī)方法不易獲得的異質結構納米材料。殷麗莎和謝小吉等2采用共沉淀法在NaGdF4:Yb/Tm上轉換納米粒子表面包覆了無定形的Y(OH)CO3殼層，并在一定溫度下將Y(OH)CO3殼層轉化為結晶相的YOF。該方法可以拓展于其他無定形殼層的包覆及蛋黃-蛋殼結構納米粒子的制備。

納米復合材料中不同組分間的協(xié)同效應以及界面效應等使其在電催化、能源存儲和光催化等領域中具有巨大的應用前景。張立學等3以具有良好導電性、電化學穩(wěn)定以及耐腐蝕等優(yōu)點的一維多孔氮化鈦(TiN)納米管為載體，使用原子層沉積技術(ALD)在TiN載體上沉積尺寸均一且高度分散的Pt納米粒子。得益于Pt納米顆粒的高分散性、TiN載體的高比表面積和導電性以及Pt與TiN之間的相互作用，所得復合催化劑在電催化氧氣還原反應(ORR)中表現(xiàn)出比商用Pt/C催化劑更高的催化活性和穩(wěn)定性。馮立綱等4以Pt納米顆粒結合的ZIF-67為前驅體，在氮氣保護下將其熱解成氮摻雜碳負載PtCo合金納米顆粒組成的PtCo-NC復合催化劑。由于PtCo納米顆粒與氮摻雜載體間的協(xié)同效應，所得PtCo-NC復合催化劑在電催化料甲醇和乙醇氧化反應中均表現(xiàn)出優(yōu)異的活性、穩(wěn)定性和抗中毒能力。

吳平和周益明等5通過氧化石墨烯(GO)和殼聚糖(Cs)之間的氫鍵以及靜電作用形成GO水凝膠，從而將納米硅顆粒和碳納米管(CNT)原位包封于其中，再經冷凍干燥及隨后的熱處理制得三維硅/碳納米管/石墨烯(Si-CNT@G)納米復合材料。當作為鋰離子電池的負極材料時，兩種碳介質的協(xié)同能有效緩沖硅材料在充放電過程中脫/嵌鋰引起的體積變化，縮短了鋰離子和電子傳輸?shù)木嚯x，Si-CNT@G復合材料表現(xiàn)出較好的循環(huán)穩(wěn)定性以及倍率性能。武祥等6采用簡單的水熱方法在泡沫鎳基底上生長了鈷酸鎳納米片。合成的NiCo2O4納米片直接用作超級電容器電極，呈現(xiàn)出優(yōu)異的電化學性能和穩(wěn)定性，在未來儲能器件中具有良好的電化學應用前景。曹少文和余家國等7采用簡單的水熱法并結合后續(xù)煅燒處理的方法制備了錳鈷氧化物與碳纖維的復合材料。該方法制備的復合材料中的錳鈷氧化物可以均勻地分散在碳纖維表面，從而增加了電極材料與電解質的界面接觸，提高了電極材料的利用率。因此，碳纖維負載錳鈷氧化物的復合材料可用于提高超級電容器的電化學性能, 并為制備高性能超級電容器的電極材料提供了新的策略。

袁玉鵬等8在氨氛圍中熱處理石墨相氮化碳(g-C3N4)，抑制氮原子的氧化程度、控制N空位濃度和提高產物結晶度，最終提升其光催化制氫的性能。殷麗莎等9以原位還原的方法，在g-C3N4納米片表面沉積Pt-M (M = Co, Ni, Fe)助催化劑，以降低Pt的用量，提升光解水制氫的性能。劉超和戴勇等10采用穩(wěn)態(tài)共沉淀法制備了ZnCuAl-LDH/Bi2MoO6納米復合材料，研究了所得材料在可見光下降解污染物羅丹明B (RhB)的光催化性能，并提出了一種可能的光催化機制。

納米復合材料種類繁多，包羅萬象，在諸多領域都顯示出巨大的發(fā)展空間。但有關納米復合材料的可控制備、表征手段、結構組分與性能之間的構效關系等仍需深入探究。希望廣大讀者能從本專刊的論文中有所啟發(fā)和獲益。