Advanced Materials:电化学剥离层状材料:快速高效制备二维材料的新方法

随着石墨烯研究的崛起,各种二维材料(包括过渡金属硫化物,黑磷以及碳化钛等)越来越广泛地应用于传感器,催化剂,能量存储,以及多功能电学器件中。然而,这些新技术能否得到深度推广,取决于能否大批量,低成本地获取符合应用需求的二维材料。目前广泛采用的制备手段,包括胶带或超声剥离层状晶体,化学气相沉积生长大面积薄膜,具有产率低,性能差或者成本高等缺点。因此,无论是学界还是工业界,都在寻求一种能够克服上述缺点的新方法。

近几年,电化学剥离方法逐渐开始受到重视。它以导电层状材料为前驱物,在电场作用下驱动无机阴离子(例如硫酸根离子等),碱金属离子(例如Li+, Na+, K+等)或者有机阳离子(例如季铵离子等)插层。通过增大层间距克服层与层之间的弱范德华力,从而实现二维材料的分离。该方法不仅能制备高质量的石墨烯或者氧化石墨烯,而且能快速合成二维半导体纳米片,以及对材料进行原位修饰。和传统制备方法比较,电化学剥离具有产率高,速度快,成本低,污染小,设备简单,容易纯化分离等优点,能够同时满足实验室研究和工业应用的要求。

自2012年以来,德累斯顿工业大学冯新亮团队对该领域进行了细致的研究,取得了瞩目的成果。通过对电化学参数的控制以及机理的深入理解,实现了大量制备溶液可分散的高质量石墨烯和石墨烯复合材料。同时,该方法能剥离合成无缺陷的黑磷,硒化铟,二硫化钼纳米片,以及选择性刻蚀碳铝钛(MAX)得到碳化钛(MXene)纳米片。这些材料已经用于场效应晶体管,超级电容器,电池电极,喷墨打印电路,光电探测器,太阳能电池等。基于冯新亮团队在该领域的积累,这篇综述详细介绍了电化学剥离技术的研究进展,包括方法的设计,电解液的选择,插层的机理,电化学反应和潜在应用等,同时讨论了在实际制备中的挑战和机遇。 研究者希望该综述能够为新型二维材料的制备及应用提供新思路,同时为电化学方法的未来发展作出贡献。相关论文在线发表在Advanced Materials (DOI:10.1002/adma.201907857)上。