纳米二维材料发展和应用探究

谢中柱许并社樊建锋(1太原学院机电工程系 山西 太原 030032) (2太原理工大学新材料工程技术中心 山西 太原 030024) (3太原理工大学材料科学与工程学院 山西 太原 030024)

纳米二维材料发展和应用探究

谢中柱1,2,3许并社2,3樊建锋2,3
(1太原学院机电工程系 山西 太原 030032) (2太原理工大学新材料工程技术中心 山西 太原 030024) (3太原理工大学材料科学与工程学院 山西 太原 030024)

纳米二维材料自发现以来就受到人们的广泛关注，经过十几年的研究和发展，已经研究出很多种类的纳米二维材料，本文对纳米二维材料的发展进行了概述，并对纳米二维材料制备和应用进行探究。

纳米；二维材料；应用探究

1.引言

纳米材料自上个世纪问世以来一直被科学家广泛研究，它是一种在三维空间中至少有一维处于纳米尺寸(0.1 ～100nm)或者它们由基本单元构成的材料。上个世纪60年代科学家就开始对纳米粒子就行研究，并且认为如果能够实现对纳米级的物体操作和控制，可以让材料在性能产生丰富的变化。科学家对于纳米材料的研究的发展过程主要分为三个阶段，第一阶段是主要研究纳米材料的制备以及对其特性的研究，主要研究单一组成的纳米材料。第二阶段研究人员则利用纳米材料的特性进行复合材料的研究。第三阶段则更注重于纳米组装体系的研究，二维纳米材料就是在这个阶段发现并且深入研究的。现在，纳米技术已经形成为高度交叉的综合性科学技术，是一个融科学前沿和高技术于一体的完整的科学技术体系。

2.纳米二维材料的发展

自从2004年石墨烯被英国科学家Geim和Novoselov制备出来以后，二维材料引起了科学家们的研究热潮。人们对于石墨烯的制备方法进行了研究，2006年W.A.Heer等人用标准的纳米光刻技术在碳化硅衬底上外延生长得到石墨烯，K.Mullen等人则发现了一种可以制备出12nm宽的二维石墨烯纳米带的方法。D.Li课题组发现了一种大量制备石墨烯的方式，在不利用表面活性剂的条件下通过化学转换的方式在静电作用下制备石墨烯胶体，扩大了石墨烯的应用范围。在研究制备方式的同时，也有很多研究人员对石墨烯的性质进行了研究，B.Uchoa等人发现石墨烯的电子性质与掺杂碱金属或过渡金属有很大的关系，过渡金属和碳原子轨道的杂化作用可以导致磁性的不稳定，O.Leenaerts等人则发现了石墨烯对于小分子CO、NO等具有吸附性，可以应用于气体分子的检测[1]。

人们以石墨烯为起点，对纳米二维材料进行了研究，发现了四类主要的纳米二维材料，主要有类石墨烯家族，例如石墨烯、氮化硼都属于这一类，二维过度金属硫化物家族，这一类中主要是一些具有半导体性质的硫化物，还有二维氧化物家族和其他结构的层装材料[2]。

纳米二维材料被广泛的关注和研究，目前二维纳米材料的研究方向主要有三个。第一，二维材料的大量制备问题需要进行深入研究，目前许多二维纳米材料不能够进行大量的制备，这给材料的实际造成了很大的困难，尤其是晶圆级尺寸的二维材料，缺少大量制备的方法。第二，对二维材料的纳米复合材料进行研究。那你二维材料本身具有很多优异的性质，进行二维材料的纳米复合材料研究，可以在二维材料良好的性质基础上，增加其他纳米材料的优点，使材料的性质更加优良。第三，研究纳米二维材料的应用。纳米二维材料具有优异的性质，具有传统材料不具有的优势，深入挖掘其应用，使其应用更加广泛，有利于对社会的发展进步。

3.纳米二维材料的应用

随着科研工作者对二维材料的深入研究，很多二维材料被开发出来，并且被广泛应用，下面对几种二维材料的制备和应用进行介绍。

3.1 纳米石墨烯复合材料

石墨烯的发现和不断研究让人们看到了它在应用方面的巨大价值，因此科学工作者对石墨烯复合材料也进行了深入的研究。目前人们已经发现了多种石墨烯的制备方法，包括机械剥离法、化学气相沉积、化学剥离法等，其中机械剥离法就最先被发现的石墨烯制备方法，而化学剥离法则是目前制备石墨烯使用较多，效率较高的方法。

现在人们正在对纳米石墨烯复合材料做深入的研究，其中纳米石墨烯/聚合物复合材料和纳米无机/石墨烯复合材料是现在研究的热点[3]。制备纳米石墨烯/聚合物复合材料对于制作方法有很高的要求，目前已经发展的制备方法包括熔融共混法、溶液共混法以及原位聚合法等。纳米无机/石墨烯复合材料由于无机纳米粒子的加入，使石墨烯有了更广泛的应用。目前能够被应用于这类材料制备的无机纳米粒子主要有三类，金属、金属氧化物和硫化物纳米粒子，在制备方法上，主要包括水热法和电化学沉积等。

纳米石墨烯复合材料能够利用石墨烯独特的结构特性和导热导电能力对一些其他的材料进行修饰，石墨烯和无机材料的复合材料就在原有性质的基础上具有了石墨烯的导热导电性能和机械强度，例如石墨烯和一些金属化合物符合，可以改善这些金属化合物的结构，对其导电性能进行提升，使其在锂离子电池和光催化方面更具应用前景。目前石墨烯复合材料在锂离子电池、光敏仪器、微波吸收、净水等方面都有广阔的应用前景。

3.2 类石墨烯过渡金属二硫化物

过渡金属二硫化物是一种和石墨烯拥有类似的二维结构的材料，这类材料具有非常好的光学、电化学性质，这些特性吸引了很多科学工作者的注意和研究。过渡金属二硫化物很早就开始被人们所研究，只是对二维过渡金属二硫化物的研究是从近几年才开始兴起的，科研人员认为这类材料拥有很大的发展潜力。

目前这类材料的制备方法主要有剥离法、化学气相沉积法和水热法等[4]，目前科研工作者还在研究其它的制备方法，以最大程度上保证这类材料的特性，以及在生产成本、质量和规模上取得突破，是这类材料能够为人类社会的发发展做出应有的贡献。

二维过渡金属二硫化物电子能带结构具有直接的带隙，使其在光致发光、吸收光谱以及光伏效应等性质上相较于过渡金属二硫化物都有所改变。直接的能带带隙对于光的吸收和发散都有很大的影响，其对于光的利用更加完全，利用二维结构对于这种材料对于光敏性能的提升，人们用单层MoS2薄膜制作了光电晶体管，单层MoS2薄膜也被用于制作LED器件。二维过渡金属二硫化物还因为其电化学性被用于锂离子电池和超级电容器等方面，利用其制作的锂离子电池在使用寿命和电容等方面都很有优势，因为其优良的电传感性能它还被用来制作传感器，这种材料制成的传感器在检测限、响应速率、识别度方面都具有很好的能力。

3.3 有机或金属—有机二维材料

有机或金属—有机二维层状纳米材料在化学可剪裁性方面性能优异[5]，目前研究人员正在努力探索这类二维材料的制备方式，并且在有机基二维材料的制备上建立了自上而下和自下而上两种类型的方法。在应用方面，这类二维材料有望被广泛应用于电子器件、催化和小分子识别等诸多方面。目前这类有机或金属—有机二维材料的制备技术还不是特别完备，还需要研究人员的改良，在性质方面也需要进行一定的改进。

5.结论

纳米二维材料具有优异的性质和应用前景，并且在许多领域的应用上已经取得了惊人的成就，但是还有许多性质和应用需要进行不断的研究。如今各种类型的纳米二维材料的研究都在不断的进行当中，纳米石墨烯复合材料、类石墨烯过渡金属二硫化物、DNA纳米技术和有机或金属—有机二维材料等二维材料都在不断的发现之中，在将来二维材料将在许多领域发挥作用。

[1]史伟明.石墨烯和新型二维纳米材料的特性研究[D].烟台大学，2011.

[2]张克难.二硫化钼二维材料及其异质结的制备和光电特性研究[D].中国科学院研究生院(上海技术物理研究所)，2016.

[3]任芳，朱光明，任鹏刚.纳米石墨烯复合材料的制备及应用研究进展[J].复合材料学报，2014，31(2):263-272.

[4]刘洋洋，陈晓冬，王现英，等.类石墨烯过渡金属二硫化物的研究进展[J].材料导报，2014，28(3):23-27.

[5]李绍周，黄晓，张华.有机或金属-有机二维纳米材料的制备与应用(英文)[J].化学学报，2015，73(9):913-923.

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1009-5624（2016）06-0005-02