Small综述:二维材料的卤素功能化

二维材料如同一个“神奇的二维国”,具有众多三维世界里难以发现的性质和现象。卤素(氟、氯、溴、碘)在有机反应、材料科学等领域已经有近200年的研究历史。自2008年氟化石墨烯合成以来,卤素与二维材料的结合催生了一个新的研究领域——二维材料的卤素功能化,得到了广泛的关注。目前这一领域的研究非常丰富,有许多研究分支,但还没有对整个领域进行过全面的总结。最近,Small期刊发表了由南华大学汤贤特聘教授主笔撰写、深圳大学张晗特聘教授参与修改的综述文章(论文信息附后),对当前二维材料的卤素功能化研究进行了全面的文献回顾,理清了研究现状,并对最前沿、最先进的研究进行了详细阐述和批判性评述。

二维材料是一个庞大的材料家族,这篇综述全面介绍了包括石墨烯及其衍生物(石墨炔等)、过渡金属硫化物、氮化硼、石墨相氮化碳、层状钙钛矿以及碳族、氮族在内的各类二维材料的卤化实验策略,并根据所报道的二维材料卤化处理特点,将卤化二维材料的制备方法划分为“预卤化”“同步卤化”和“后卤化”制备(如下图所示)。总结了不同制备方法的优缺点,其中“后卤化”策略已实现了原子尺度的卤化形态控制。

通过(a)“预卤化”、(b)“同步卤化”和(c)“后卤化”制备卤化二维材料示意图。

二维材料在性能展示方面各有所长,使得它们在二维材料家族中发挥不可替代的作用。该综述总结道,卤素因具有强电负性以及独特的化学键和卤键成键环境,对二维材料的性质具有重要的调控作用,包括打开石墨烯的宽带隙、诱导氮化硼和锑烯的高温铁磁性、调制二硫化钼的激子态和二硫化钨的自旋谷极化、增强磷烯的环境稳定性、提高石墨相氮化碳的光催化活性以及层状钙钛矿太阳能电池效率、产生锡烯的强量子自旋霍尔态等等。卤化二维材料在光电子器件、脉冲激光、磁通信、新能源、光催化与光降解、核磁成像、超润滑与超疏水材料等领域的应用研究也取得了很好的结果。该综述最后对二维材料卤素功能化领域的研究前景提出了几点看法,认为在卤化过程的精确控制、卤素作用的对比性研究、以及卤键的作用等方面还有待深入研究,在核科学技术领域的粒子辐照缺陷控制、核素分离等方面也可以有所尝试。

该工作得到了国家自然科学基金(基金号:21701114)的资助。

论文信息:

Halogen Functionalization in the 2D Material Flatland: Strategies, Properties, and Applications

Xian Tang*, Touwen Fan, Cong Wang, Han Zhang*

Small

DOI: 10.1002/smll.202005640