《二维视界》之《势点6》:张华:匠心独具,合成及妙用超薄二维材料纳米片

张华,南洋理工大学教授。张老师主要瞄准二维纳米材料(诸如超薄金属材料、石墨烯、过渡金属硫属化物(TMDs)、二维金属有机框架(MOFs)、二维共价有机框架(COFs)等)的可控合成、晶相/形貌调控、杂化/复合,并深入探究相关材料在清洁能源、电子器件、化学生物传感、环境污染处理等领域的基础研究及应用。他的研究工作往往是跨学科、跨领域的,玩转了二维材料尤其是非常规晶格的超薄纳米金TMDs的基础应用研究张华的方方面面,让人耳目一新。

众所周知,金(Au)在常温下一般具有非常稳定的面心立方(fcc)结构。自1951年开始,关于湿法合成的不同形貌纳米Au的报道层出不穷,但这些大量的工作都只能制备出fcc结构或含有少量缺陷的纳米Au。2011年,张老师研究组以氧化石墨烯为模板,首次实现了厚度大约2.4 nm、具有密排六方(hcp)晶格结构的二维纳米Au的湿法合成[1],并证实了纳米Au的晶格稳定性与其厚度之间的紧密相关性。随后, hcp晶格结构也在一维纳米Au中发现。2015年,张老师研究组以硫醇作为表面活性分子,实现了二维纳米Au的hcp→fcc晶体结构的转变[2]。同年,张老师研究组首次合成出4H相的Au纳米带,并通过配体交换实现了材料由最初的4H到fcc结构的转变[3]。以具有上述特殊晶格结构的纳米Au为模板,通过外延生长的方式控制生长层金属晶相,张老师研究组成功实现了多种具有前所未有晶格结构的金属及其杂化结构的合成[4, 5],如Pd,Pt,Ir,Rh,Os,Ru和Cu的4H结构的合成[3, 6]。另外,他们还以4H/fcc [email protected]纳米带作为晶种,实现了4H/fcc三金属[email protected][email protected]核壳纳米带和四金属[email protected]核壳纳米带的合成[7]。在4H/fcc [email protected]纳米带表面,利用银的硫化实现了4H/[email protected]2S核壳纳米带异质结的合成,所获得的这种4H/[email protected]2S核壳纳米带通过阳离子交换可以进一步被转化成多种4H/[email protected]金属硫化物核壳纳米带异质结,如4H/[email protected](M=Cd,Pb,Zn)[8]。这些纳米Au材料及其衍生物在催化、能源存储以及光电化学等方面具有巨大的潜在应用价值。如4H结构的Au纳米带具有很强的红外等离子体吸收,在生物传感和催化等领域均具有很好的应用前景;4H/fcc [email protected]纳米带则在析氢反应中展示了极佳的电催化活性,甚至接近于商业化铂黑。这些新型纳米Au材料还有望应用于催化、表面增强拉曼散射、光热医疗、生物和化学传感等热门领域。

TMDs作为二维材料的后起之秀,因其具有独特又丰富的物理、化学、电子和光学性质等而备受科研者青睐,当其层数逐渐减薄时,其性质又会发生有趣变化[9]。张老师的研究组致力于运用电化学嵌锂-剥离的方法制备超薄的二维材料纳米片[10, 11],所获得的超薄TMDs纳米片具有高比表面积,非常适用于构筑功能性复合材料。2013年,他们改进了湿化学法,在剥离制得的单层TMDs纳米片上外延生长出具有特定取向的贵金属纳米结构,与传统沉积法相比,具有形貌尺寸可控、低廉、高产的优异之处[12]。这种方法在MoS2(001)晶面上生长得到(111)或(101)方向的Pt纳米结构,其氢析出性能更是优于商业Pt催化剂。随后,举一反三,他们又在单层TaS2和TiS2上成功生长出Pt和Au纳米颗粒,其复合物也表现出很好的氢析出性能[13]。这种超薄TMDs纳米片模板提供了原子级平整的表面,使其更利于贵金属在温和条件下液相外延生长,为功能材料的量产提供了新思路。当然,他们并没有局限于电催化产氢这一领域,他们利用单层TMDs带隙可调、活性位点丰富的优势,一步法化学合成出CdS纳米粒子和单层WS2或MoS2纳米片的复合材料,并将其作为光催化半导体催化剂,获得了高效的光催化产氢性能[14]。除了TMDs的优异产氢性能,他们利用单层MoS2纳米片极强的荧光淬灭性能,首次将TMDs与生物领域相联系,制备出基于单层MoS2的纳米探针,发现它对于单螺旋DNA和双螺旋DNA有不同的荧光响应[15]。当然,他们的研究并未止步于催化和传感器等领域,还拓展至能源存储[16, 17]和其他生物应用[18],将超薄TMDs纳米片的各种特性发挥得淋漓尽致。


张华-1

除了上面介绍的二维材料,最近,张老师研究组开始在二维金属有机框架(MOF)[19-22]和共价有机框架(COF)[23]化合物的可控合成及其应用上也做了一些有益的探索。

不得不说,张华大大真是当之无愧的研究二维材料的多面手啊!

[1] X. Huang, et al. Nature Commun., Vol. 2, Article 292 (2011).

[2] Z. X. Fan, et al. Nat. Commun., Vol. 6, Article 6571 (2015).

[3] Z. X. Fan,  et al. Nat. Commun., Vol. 6, Article 7684 (2015).

[4] Z. X. Fan, H. Zhang. Chem. Soc. Rev., Vol. 45, Pages 63-82 (2016).

[5] Z. X. Fan, H. Zhang. Acc. Chem. Res., Vol. 49, Pages 2841–2850 (2016).

[6] Z. X. Fan, et al. Chem. Sci., Vol. 8, Pages 795-799 (2017).

[7] Z. X. Fan,  et al. J. Am. Chem. Soc., Vol. 138, Pages 1414–1419 (2016).

[8] Z. X. Fan,  et al. J. Am. Chem. Soc., Vol. 137, Pages 10910−10913 (2015).

[9] (a) C. L. Tan,  et al. Chem. Rev., Vol. 117, Pages 6225–6331 (2017). (b) H. Zhang.  ACS Nano, Vol. 9, Pages 9451–9469 (2015). (c) C. L. Tan, H. Zhang. Chem. Soc. Rev., Vol. 44, Pages 2713-2731 (2015). (d) M. Chhowalla,  et al. Nat. Chem. 2013, 5, 263.

[10] Z. Y. Zeng,  et al. Angew. Chem. Int. Ed., Vol. 50, Pages 11093-11097 (2011).

[11] Z. Y. Zeng,  et al. Angew. Chem. Int. Ed., Vol. 51, Pages 9052-9056 (2012).

[12] X. Huang,  et al. Nat. Commun. 2013, 4, 1444.

[13] Z. Y. Zeng, et al. Energy Environ. Sci., 2014, 7, 797.

[14] J. Z. Chen,  et al. Angew. Chem. Int. Ed. 2015, 54, 1210.

[15] C. F. Zhu,  et al. J. Am. Chem. Soc. 2013, 135, 5998.

[16] X. Gu,  et al. Adv. Energy Mater. 2013, 3, 1262.

[17] G. Z. Sun,  et al. Angew. Chem. Int. Ed. 2014, 53, 12576.

[18] S. Ariyasu,  et al. Bioconjugate Chem., Vol. 28, Pages 1059-1067 (2017).

[19] Y. Huang,  et al. Adv. Mater., Vol. 29, Article 1700102 (2017).

[20] F. F. Cao,  et al. J. Am. Chem. Soc., Vol. 138, Pages 6924–6927 (2016).

[21] Y. X. Wang,  et al. Adv. Mater., Vol. 28, Pages 4149–4155 (2016).

[22] M. T. Zhao,  et al. Adv. Mater., Vol. 27, Pages 7372–7378 (2015).

[23] Y. W. Peng, et al. J. Am. Chem. Soc., DOI: 10.1021/jacs.7b04096 (2017).

付 磊 About 付 磊

武汉大学化学与分子科学学院教授;主要研究二维材料的表面控制生长及其在柔性、能源领域的应用。更多信息请访问:http://leifu.whu.edu.cn

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