高压挤出二维层状纳米片中的晶体堆积缺陷

smll201400892-gra-0001-m具有层状晶体结构的超薄二维纳米片(比如石墨烯、硅烯、锗烯、过渡金属二氧化物、过渡金属二硫化物、氮化硼等)近年来被发现许多奇异的性质并引起了人们极大的研究兴趣,这些纳米片很多情况下是通过化学剥离块状材料或者通过化学生长的方法获得。由于化学反应溶液中通常存在高浓度的小离子(例如K+、Na+、Li+、H+等),这些离子可以插入层状纳米片中而引起严重的晶体堆积缺陷。这些堆积缺陷会影响二维晶体中层与层之间的相互作用、特别是长程相互作用,从而严重影响垂直于纳米片基面方向的传输特性。如果能够有效消除二维纳米片中的堆积缺陷并保持他们的片状形貌,这些纳米片的性能就可能得到提高。美国阿贡国家实验室纳米材料中心孙玉刚和合作者针对这一问题利用水钠锰矿型二氧化锰纳米片为模型进行了一些探讨:通过对二氧化锰纳米片施加直于纳米片基面方向的机械压力,当压力足够大时纳米片中的晶体堆积缺陷可以被有效消除。相关结果发表再Small上。

由于超高比表面积和特异的晶体结构,水钠锰矿型二氧化锰纳米片被广泛的应用于电化学能量储存装置中(包括超级电容器、锂离子电池、锂空气电池)和催化反应中,这些应用都跟电荷在二氧化锰中的传输有关,相信消除纳米片中的晶体堆积缺陷会提高电荷的传输从而提高它们的性能。该研究团队利用微波辅助的水热法合成了水钠锰矿型二氧化锰纳米片,这些纳米片具有很高的比表面积和高浓度的晶体堆积缺陷,表现出亚稳状态。在加热的情况下这些纳米片很容易释放出结晶缺陷,但同时伴随着晶体结构和形貌的变化,从而失去了水钠锰矿型二氧化锰纳米片所特有的高比表面积和层状晶体结构。该研究团队发现在极高的压强下(>30万大气压)存在于二氧化锰纳米片中的晶体堆积缺陷消失了,层与层之间的晶体结构变得非常有序了,同时保持了片状形貌和晶体结构。这种挤出晶体堆积缺陷的机械方式相信可以扩展到其它各种具有层状晶体结构的超薄二维纳米片,从而为精确研究这些纳米材料的传输性质和应用提供理想的材料。