Page 51 - 《橡塑技术与装备》2024年4期
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综述与专论                                                       张伟 等·二维纳米催化剂的研究进展与展望


                离、机械剥离、振动处理、湿式球磨、超声处理和化                           化性能。化学气相沉积是一种常用的大规模 2D 材料
                学蚀刻等。对于 2D 层状纳米材料，自底向上合成通                         制备方法，具有在实际应用中可控的尺寸和厚度优势。
                常是基于小分子在垂直方向上的非均质组装和生长限                           某团队提出了一种基于化学气相沉积的方法来合成 2D
                                                                                               2
                制。自底向上的湿化学合成方法更容易实现大规模生                           黑磷，其平均面积通常超过 3  μm 。曾有研究工作展
                产，并提供了对 2D 纳米材料更可控的合成。这些方                         示了化学气相沉积生长高质量 h-BN 纳米材料，其厚
                法包括表面活性剂辅助合成，表面活性剂自组装，化                           度通常在两到五个原子层之间。在这项工作中，氨硼
                学气相沉积，模板辅助合成，无机 - 有机层状和溶剂                         烷被用作 BN 的前体，随后以约 1  000  ℃的温度下，
                热合成。                                              通过 Ar/H 2 气流进行沉积，生长时间为 30~60 min。
                    液体剥离方法被认为是制备多种 2D 层状纳米材                           然而，传统的自下而上合成策略通常需要基底材
                料的最流行方法之一，其合成机制基于通过引入客体分                          料和表面活性剂的辅助。因此，很难制备分散的 2D
                子来削弱层间相互作用，增大层间间距，并通过超声处                          纳米材料，并且产品中残留的表面活性剂很难去除，
                理形成稳定溶胶的界面解聚。有人利用 N—甲基—2—                         这可能限制了它们的应用。
                吡咯烷酮溶液剥离少层黑磷纳米片，合成了 2D 层状电                        1.3 表征
                催化剂，并在氧气产生应用中实现了高电催化性能。                               在上述的小节中，我们已经讨论了 2D 纳米催化
                    机械剥离法也是制备多种 2D 层状纳米材料的常                       剂的分类和合成。除了这些主题，表征技术的进步也
                见方法之一。某研究团队利用超锐钻石楔子辅助超                            推动了 2D 纳米材料在催化领域的快速发展。到目前
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                声振荡来剥离面积约为 300×900  μm 的 2D 石墨烯                   为止，已经出现了一系列复杂的 2D 纳米材料表征技
                层。著名的透明胶带法被认为是最常见的机械剥离方                           术，包括多种光学、电子和探针显微术以及各种光谱
                法之一，它导致了石墨烯的发现，并能够制备具有理                           学方法，可以揭示材料的形貌、缺陷、晶相、电子态
                想性能的高质量 2D 单层纳米材料。例如，Fuhrer 团                     密度等信息。在本小节中，我们将简要介绍几种用于
                队通过类似于石墨烯使用胶带 (3  M  Scotch) 剥离的方                 区分 2D 纳米材料的典型表征技术。
                式，形成了一个具有强光学性质的大单晶二硒化二铟                               光学显微镜（OM）可以快速提供材料的位置和
                (In 2 Se 3 )，其厚度约为 100 nm。                        形貌信息。有研究结果展示了 MoS 2 /WSe 2 异质结构
                    湿式球磨法是一种将材料、溶剂和氧化锆球按一                         的层叠层之间的明显区别，并通过颜色对比进行了展
                定比例研磨成纳米级浆料的方法。曾有研究报道了一                           示。然而，更准确的材料形貌信息需要更精确的表
                种湿式球磨和超声剥离的方法，通过该方法合成了具                           征，如电子显微镜和探针显微镜。扫描电子显微镜
                有高结晶度、大侧向面积和 1 nm 厚度的超薄层状金属                      （SEM）是用于纳米催化剂结构、拓扑和形貌表征的
                有机框架 (MOFs)，其中旋转速度为低速的 60 r/min，                  最常见技术，其分辨率通常达到几纳米。透射电子显
                超声剥离使用的溶剂是丙醇和甲醇。                                  微镜（TEM）是另一种用于纳米催化剂形貌、晶体性
                    尽管自上而下的方法可以通过简单的途径制备具                         和相特性表征的强大技术 ；此外，它还可以与选区电
                有卓越性能的 2D 纳米材料，从而提供低成本的产品，                        子衍射（SAED）图案相结合，获得更多的晶体性信息。
                但这些方法仍然存在一些限制，限制了 2D 纳米材料                         研究人员制备了一种 CO 2 还原复合光催化剂 TiO 2 -
                在实际应用中的使用。这些限制包括不稳定纳米片的                           graphene-MoS 2 ，并通过 SEM 观察了复合结构和形
                形成、层数不可控、均匀性差、仅限于层状材料、产                           貌，通过 TEM 观察了结晶性和相信息。扫描探针显
                物收率低以及剥离的纳米片经常会断裂和重新堆叠。                           微镜（SPM）可以获得 2D 纳米催化剂更准确的厚度
                因此，我们认为有必要进行自上而下的 2D 纳米材料                         信息和电子性质，例如原子力显微镜（AFM）、扫描
                合成的基础研究，通过策略和开发的进展有望改善这                           隧道显微镜（STM)]、开尔文探针力显微镜（KPFM）
                些问题，例如插层辅助膨胀和剥离，以及在层状材料                           和静电力显微镜（EFM）。某研究团队利用单层石墨
                中含有离子或分子的剥离。                                      烯可视化了在云母上的水分子吸附层，其平均高度为
                    有研究者通过自下而上的溶剂热法合成了原子层                         0.37±0.02  nm。有研究人员通过 STM 控制了 MoS 2 电
                二元金属有机框架 (MOF) 纳米片，并在基于 N,N—二                     催化剂的不同活性位点，并通过 STM 确定了这些活性
                甲基乙酰胺溶液的溶剂中实现了优异的氧气产生电催                           位点，结果表明 HER 电催化活性与催化活性位点的数


                2024     第   50 卷                                                                       ·3·
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