絢麗多彩的納米復(fù)合材料

徐林，侯文華

1南京師范大學(xué)化學(xué)與材料科學(xué)學(xué)院，江蘇省新型動(dòng)力電池重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，南京 210023

2南京大學(xué)化學(xué)化工學(xué)院，介觀化學(xué)教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，南京 210023

在納米尺度上復(fù)合物理化學(xué)性能差別迥異的成分，實(shí)現(xiàn)材料的多功能化是納米合成的一個(gè)熱點(diǎn)領(lǐng)域。納米復(fù)合材料體系中各組分之間可以產(chǎn)生強(qiáng)相互耦合作用，不僅可以增強(qiáng)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(zhuǎn)化和儲(chǔ)存、環(huán)境保護(hù)與污染處理和生物醫(yī)藥等領(lǐng)域具有廣泛應(yīng)用。隨著合成技術(shù)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(fù)合材料的合成，觀察復(fù)合材料不同成分的界面結(jié)構(gòu)，揭示復(fù)合材料不同組分間的耦合原理，并調(diào)控復(fù)合材料的物化性能。本專輯中收集了我國(guó)部分科學(xué)家在相關(guān)領(lǐng)域的研究成果，將展示一系列納米復(fù)合材料的可控合成、結(jié)構(gòu)表征及其在光催化、電催化、能源儲(chǔ)存等領(lǐng)域應(yīng)用方面的最新進(jìn)展。

將不同化學(xué)組分在納米尺度上進(jìn)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(kuò)散機(jī)制或半導(dǎo)體納米顆粒的自純化機(jī)制，將預(yù)合成的貴金屬(Au、Ag、Pd和Pt)和Ag2S形成的核殼結(jié)構(gòu)自發(fā)演變成由貴金屬和Ag2S構(gòu)成的異質(zhì)納米二聚體結(jié)構(gòu)，如Au-Ag2S、Ag-Ag2S、Pd-Ag2S和Pt-Ag2S。利用貴金屬在半導(dǎo)體中的遷移可以用來(lái)制備一些常規(guī)方法不易獲得的異質(zhì)結(jié)構(gòu)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(zhuǎn)換納米粒子表面包覆了無(wú)定形的Y(OH)CO3殼層，并在一定溫度下將Y(OH)CO3殼層轉(zhuǎn)化為結(jié)晶相的YOF。該方法可以拓展于其他無(wú)定形殼層的包覆及蛋黃-蛋殼結(jié)構(gòu)納米粒子的制備。

納米復(fù)合材料中不同組分間的協(xié)同效應(yīng)以及界面效應(yīng)等使其在電催化、能源存儲(chǔ)和光催化等領(lǐng)域中具有巨大的應(yīng)用前景。張立學(xué)等3以具有良好導(dǎo)電性、電化學(xué)穩(wěn)定以及耐腐蝕等優(yōu)點(diǎn)的一維多孔氮化鈦(TiN)納米管為載體，使用原子層沉積技術(shù)(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(dǎo)電性以及Pt與TiN之間的相互作用，所得復(fù)合催化劑在電催化氧氣還原反應(yīng)(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(jié)合的ZIF-67為前驅(qū)體，在氮?dú)獗Ｗo(hù)下將其熱解成氮摻雜碳負(fù)載PtCo合金納米顆粒組成的PtCo-NC復(fù)合催化劑。由于PtCo納米顆粒與氮摻雜載體間的協(xié)同效應(yīng)，所得PtCo-NC復(fù)合催化劑在電催化料甲醇和乙醇氧化反應(yīng)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(guò)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(jīng)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(fù)合材料。當(dāng)作為鋰離子電池的負(fù)極材料時(shí)，兩種碳介質(zhì)的協(xié)同能有效緩沖硅材料在充放電過(guò)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(fù)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(jiǎn)單的水熱方法在泡沫鎳基底上生長(zhǎng)了鈷酸鎳納米片。合成的NiCo2O4納米片直接用作超級(jí)電容器電極，呈現(xiàn)出優(yōu)異的電化學(xué)性能和穩(wěn)定性，在未來(lái)儲(chǔ)能器件中具有良好的電化學(xué)應(yīng)用前景。曹少文和余家國(guó)等7采用簡(jiǎn)單的水熱法并結(jié)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(fù)合材料。該方法制備的復(fù)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(zhì)的界面接觸，提高了電極材料的利用率。因此，碳纖維負(fù)載錳鈷氧化物的復(fù)合材料可用于提高超級(jí)電容器的電化學(xué)性能, 并為制備高性能超級(jí)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(chǎn)物結(jié)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(fù)合材料，研究了所得材料在可見(jiàn)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(jī)制。

納米復(fù)合材料種類繁多，包羅萬(wàn)象，在諸多領(lǐng)域都顯示出巨大的發(fā)展空間。但有關(guān)納米復(fù)合材料的可控制備、表征手段、結(jié)構(gòu)組分與性能之間的構(gòu)效關(guān)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。