納米二維材料發展和應用探究

謝中柱許并社樊建鋒(1太原學院機電工程系 山西 太原 030032) (2太原理工大學新材料工程技術中心 山西 太原 030024) (3太原理工大學材料科學與工程學院 山西 太原 030024)

納米二維材料發展和應用探究

謝中柱1,2,3許并社2,3樊建鋒2,3
(1太原學院機電工程系 山西 太原 030032) (2太原理工大學新材料工程技術中心 山西 太原 030024) (3太原理工大學材料科學與工程學院 山西 太原 030024)

納米二維材料自發現以來就受到人們的廣泛關注，經過十幾年的研究和發展，已經研究出很多種類的納米二維材料，本文對納米二維材料的發展進行了概述，并對納米二維材料制備和應用進行探究。

納米；二維材料；應用探究

1.引言

納米材料自上個世紀問世以來一直被科學家廣泛研究，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成的材料。上個世紀60年代科學家就開始對納米粒子就行研究，并且認為如果能夠實現對納米級的物體操作和控制，可以讓材料在性能產生豐富的變化。科學家對于納米材料的研究的發展過程主要分為三個階段，第一階段是主要研究納米材料的制備以及對其特性的研究，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行復合材料的研究。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階段發現并且深入研究的。現在，納米技術已經形成為高度交叉的綜合性科學技術，是一個融科學前沿和高技術于一體的完整的科學技術體系。

2.納米二維材料的發展

自從2004年石墨烯被英國科學家Geim和Novoselov制備出來以后，二維材料引起了科學家們的研究熱潮。人們對于石墨烯的制備方法進行了研究，2006年W.A.Heer等人用標準的納米光刻技術在碳化硅襯底上外延生長得到石墨烯，K.Mullen等人則發現了一種可以制備出12nm寬的二維石墨烯納米帶的方法。D.Li課題組發現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化學轉換的方式在靜電作用下制備石墨烯膠體，擴大了石墨烯的應用范圍。在研究制備方式的同時，也有很多研究人員對石墨烯的性質進行了研究，B.Uchoa等人發現石墨烯的電子性質與摻雜堿金屬或過渡金屬有很大的關系，過渡金屬和碳原子軌道的雜化作用可以導致磁性的不穩定，O.Leenaerts等人則發現了石墨烯對于小分子CO、NO等具有吸附性，可以應用于氣體分子的檢測[1]。

人們以石墨烯為起點，對納米二維材料進行了研究，發現了四類主要的納米二維材料，主要有類石墨烯家族，例如石墨烯、氮化硼都屬于這一類，二維過度金屬硫化物家族，這一類中主要是一些具有半導體性質的硫化物，還有二維氧化物家族和其他結構的層裝材料[2]。

納米二維材料被廣泛的關注和研究，目前二維納米材料的研究方向主要有三個。第一，二維材料的大量制備問題需要進行深入研究，目前許多二維納米材料不能夠進行大量的制備，這給材料的實際造成了很大的困難，尤其是晶圓級尺寸的二維材料，缺少大量制備的方法。第二，對二維材料的納米復合材料進行研究。那你二維材料本身具有很多優異的性質，進行二維材料的納米復合材料研究，可以在二維材料良好的性質基礎上，增加其他納米材料的優點，使材料的性質更加優良。第三，研究納米二維材料的應用。納米二維材料具有優異的性質，具有傳統材料不具有的優勢，深入挖掘其應用，使其應用更加廣泛，有利于對社會的發展進步。

3.納米二維材料的應用

隨著科研工作者對二維材料的深入研究，很多二維材料被開發出來，并且被廣泛應用，下面對幾種二維材料的制備和應用進行介紹。

3.1 納米石墨烯復合材料

石墨烯的發現和不斷研究讓人們看到了它在應用方面的巨大價值，因此科學工作者對石墨烯復合材料也進行了深入的研究。目前人們已經發現了多種石墨烯的制備方法，包括機械剝離法、化學氣相沉積、化學剝離法等，其中機械剝離法就最先被發現的石墨烯制備方法，而化學剝離法則是目前制備石墨烯使用較多，效率較高的方法。

現在人們正在對納米石墨烯復合材料做深入的研究，其中納米石墨烯/聚合物復合材料和納米無機/石墨烯復合材料是現在研究的熱點[3]。制備納米石墨烯/聚合物復合材料對于制作方法有很高的要求，目前已經發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。納米無機/石墨烯復合材料由于無機納米粒子的加入，使石墨烯有了更廣泛的應用。目前能夠被應用于這類材料制備的無機納米粒子主要有三類，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沉積等。

納米石墨烯復合材料能夠利用石墨烯獨特的結構特性和導熱導電能力對一些其他的材料進行修飾，石墨烯和無機材料的復合材料就在原有性質的基礎上具有了石墨烯的導熱導電性能和機械強度，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構，對其導電性能進行提升，使其在鋰離子電池和光催化方面更具應用前景。目前石墨烯復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用前景。

3.2 類石墨烯過渡金屬二硫化物

過渡金屬二硫化物是一種和石墨烯擁有類似的二維結構的材料，這類材料具有非常好的光學、電化學性質，這些特性吸引了很多科學工作者的注意和研究。過渡金屬二硫化物很早就開始被人們所研究，只是對二維過渡金屬二硫化物的研究是從近幾年才開始興起的，科研人員認為這類材料擁有很大的發展潛力。

目前這類材料的制備方法主要有剝離法、化學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材料的特性，以及在生產成本、質量和規模上取得突破，是這類材料能夠為人類社會的發發展做出應有的貢獻。

二維過渡金屬二硫化物電子能帶結構具有直接的帶隙，使其在光致發光、吸收光譜以及光伏效應等性質上相較于過渡金屬二硫化物都有所改變。直接的能帶帶隙對于光的吸收和發散都有很大的影響，其對于光的利用更加完全，利用二維結構對于這種材料對于光敏性能的提升，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。二維過渡金屬二硫化物還因為其電化學性被用于鋰離子電池和超級電容器等方面，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勢，因為其優良的電傳感性能它還被用來制作傳感器，這種材料制成的傳感器在檢測限、響應速率、識別度方面都具有很好的能力。

3.3 有機或金屬—有機二維材料

有機或金屬—有機二維層狀納米材料在化學可剪裁性方面性能優異[5]，目前研究人員正在努力探索這類二維材料的制備方式，并且在有機基二維材料的制備上建立了自上而下和自下而上兩種類型的方法。在應用方面，這類二維材料有望被廣泛應用于電子器件、催化和小分子識別等諸多方面。目前這類有機或金屬—有機二維材料的制備技術還不是特別完備，還需要研究人員的改良，在性質方面也需要進行一定的改進。

5.結論

納米二維材料具有優異的性質和應用前景，并且在許多領域的應用上已經取得了驚人的成就，但是還有許多性質和應用需要進行不斷的研究。如今各種類型的納米二維材料的研究都在不斷的進行當中，納米石墨烯復合材料、類石墨烯過渡金屬二硫化物、DNA納米技術和有機或金屬—有機二維材料等二維材料都在不斷的發現之中，在將來二維材料將在許多領域發揮作用。

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

[2]張克難.二硫化鉬二維材料及其異質結的制備和光電特性研究[D].中國科學院研究生院(上海技術物理研究所)，2016.

[3]任芳，朱光明，任鵬剛.納米石墨烯復合材料的制備及應用研究進展[J].復合材料學報，2014，31(2):263-272.

[4]劉洋洋，陳曉冬，王現英，等.類石墨烯過渡金屬二硫化物的研究進展[J].材料導報，2014，28(3):23-27.

[5]李紹周，黃曉，張華.有機或金屬-有機二維納米材料的制備與應用(英文)[J].化學學報，2015，73(9):913-923.

TQ42

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1009-5624（2016）06-0005-02