济南大学 物理科学与技术学院
功能微纳材料与器件实验室(光电材料与器件团队)
Functional Micro/nano Materials and Devices Lab

转自MaterialsViews:复制氧化石墨烯以制备超薄氧化物纳米片

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超薄二维纳米材料是指具有单层或者少层晶格厚度(通常不大于5纳米),并且横向尺寸为数百纳米甚至可达几十微米的片状材料。以石墨烯为代表的这一类材料具有出优异的物理、光学、化学以及电学特性,近年来引起了广泛的研究兴趣。超薄二维纳米材料一般通过自上而下自下而上的方法制备。自上而下的方法主要通过化学插层或者机械作用剥离层状化合物,该方法最主要的局限性在于纳米片的原材料必须为具有层状结构的晶体;自下而上的方法是以原子、离子或者分子为构筑单元直接通过化学反应生长出纳米片,最典型的例子是通过化学气相沉积法(CVD)在铜箔上直接生长制备石墨烯。但是,无论是哪种方法,制备出的二维材料通常都是具有层状结构的物质,如石墨烯、硫化钼和黑磷。制备非层状结构化合物的二维纳米材料则存在较大的难度。

制备非层状结构二维纳米材料的关键之处在于选择合适的模板以及合成反应,以限制或诱导材料在二维方向生长。厦门大学材料学院的白华副教授、李磊教授及研究团队发展了一种新的自下而上的方法,以氧化石墨烯(GO)为模板成功地制备了一种新型的超薄二维氧化铝纳米片。该课题组利用尿素分解控制硫酸铝溶液的pH值缓慢提高,将铝离子以碱性硫酸铝(BAS)的形式沉积在GO纳米片模板上。由于BAS是一种无定型化合物,因此BASGO表面呈现为连续无缺陷的薄膜。BAS@GO中间体在空气中经灼烧,GO模板被氧化而除去,同时BAS分解为g-氧化铝,完整的复制了GO模板的形状。得到的氧化铝纳米片厚度仅为4纳米左右,而尺寸可达数微米,与氧化石墨烯的形貌非常类似。该课题组还发现,无定型的中间体对于复制GO的形貌起到了关键作用。他们进而将该方法推广,利用锆的氢氧化物的无定型特性,成功制备了氧化锆的二维纳米片。

氧化铝纳米片具有较高的比表面积(198.8 m2 g−1),而且其比表面积主要源自外表面,而并非微孔结构。因此,这种氧化铝纳米片对水中的氟离子表现出快速吸附动力学和较大的吸附容量(21.3 mgg−1)。吸附量比氧化铝纳米颗粒提高了近70%。这类二维超薄氧化铝纳米片有望应用于催化、环境科学和复合材料等多个领域,并且这种新的制备方法可以推广到其他二维材料体系,对二维材料的合成具有重要意义。相关工作发表在近期的Advanced Materialsdoi/10.1002/adma.201504484)上。