开发二维金属材料的新思路

二维纳米材料,因其具有独特的物理化学性质而愈发受到学界和产业界的广泛关注,并在电子/光电子器件、催化、生物医药以及能源转换与存储等前沿领域表现出非凡的应用潜力。目前,大部分二维层状晶体材料(例如:石墨烯、过渡金属硫化物(TMDs)、过渡金属氧化物和氢氧化物、过渡金属碳化物和碳氮化物、氮化硼和黑磷)都可以很容易地通过自下而上的湿化学法、选择性刻蚀或机械和化学剥离等方法制备得到,其内在的原因可以归结于材料的本征层状结构具有较强的层内化学键以及较弱的层间范德华力。然而,对于大部分金属及其衍生物为代表的非层状结构材料,如何有效制备自支撑的二维层状纳米材料则强烈地限制其特性与应用的相关研究。因此,开发一种可以大量制备二维金属纳米片的普适性方法就显得尤为重要且迫切。

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近期,清华大学伍晖研究团队受中国传统美食“千层饼”的启发,成功开发了一种将双层金属片(如金、银、铜、铁、镍和铝)反复折叠和延展(RFC)并结合选择性刻蚀过程从而制备二维金属纳米片的新思路。该方法证明机械滚压作为简单、有效且低能耗的室温制备过程,可以通过滚压将双层二维金属纳米片的厚度控制在5微米到几纳米,并且有效避免叠层金属之间合金化现象的发生从而保证选择性刻蚀之后获得高纯的单一金属纳米片。

以银/铝叠层纳米结构为例,通过简单的反复折叠、延展可以在毫米厚度的金属片中构造数万层高度取向的银/铝纳米叠层结构。通过在碱液中选择性溶解掉铝就可以获得平均厚度在4纳米左右的自支撑二维金属银纳米片。更为重要的是,该二维银纳米片表面的亲水性使其可以在水中形成稳定的分散液从而便于进一步制备混合分散液、薄膜以及复合材料,可以为后续的导电墨水、光热转换、能源存储电极以及纳米催化剂等相关领域的应用奠定了坚实的基础。

这种充分利用金属机械延展获得二维纳米结构的新方法在理论上可以制备绝大多数金属及其合金的厚度接近1纳米并且横向尺寸在3到5微米之间的二维纳米片结构,从而能够为凝聚态物理和金属研究等相关领域的发展做出综合性贡献。可以预见,二维金属纳米片以及相应的叠层纳米金属必将在不久的将来得到广泛的应用。

相关文章发表在Advanced Materials(DOI: 10.1002/adma.201601180)上。

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