郑州大学易莎莎副教授团队：二维材料最新研究进展——常用的制备方法和主要应用 | MDPI Materials

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文章导读

二维纳米材料是由原子或具有无限横向尺寸的近原子厚度组成的材料，具有独特的结构、优良的物理性质和可调的表面化学性质。它们在传感、可再生能源和催化等领域显示出了巨大的发展潜力。郑州大学易莎莎副教授团队在 Materials 期刊发表的文章，综述了二维纳米管的制备和应用的最新研究成果。首先，从“自上而下”和“自下而上”的角度介绍了二维纳米材料的常用合成方法，包括机械剥离、超声辅助液相剥离、离子插层、化学气相沉积和水热技术。在二维纳米管的应用方面，重点综述了其在气体传感、锂离子电池、光检测、电磁波吸收、光催化和电催化等方面的潜力。此外，本文基于现有的研究，展望二维材料的未来发展趋势和可能面临的挑战。部分二维材料的制备方法及应用如图 1 所示。

图 1. 部分二维材料的制备方法及应用

研究过程与结果

本文综述了“自上而下”和“自下而上”两种制备方法。“自上而下”制备方法是指在外力的作用下逐渐去除基体材料层间范德华力的制备方法，该方法依赖于从层状基体中剥离二维晶体的薄层 (见图 2)。因此需要注意的是，自上而下的方法只适用于具有层状结构的基体材料。“自上而下”方法主要包括机械剥离法、超声液相辅助剥离法、离子插层法，该方法具有低成本、利于工业化等优点，但同时也具有可控性较差、产品质量低等缺点。

图 2. 机械剥离法的机理图及利用该方法制得的样品图像 (图 2b,c 扫描尺寸为 40 μm) [1,2]

与“自上而下”方法相比，“自下而上”制备方法具有产品质量高，可控性高的优点，但较低的生产效率以及较高的制备成本也是其不可忽视的不足。该方法主要包括化学气相沉积法 (机理图见图 3)、物理气相沉积发、水热法、原子层沉积法。

图 3. 化学气相沉积法的机理图及利用该方法制得的样品图像 (图 3d 扫描尺寸为100 μm) [3,4,5,6]

同时，具有超薄二维结构的纳米材料在应用方面具有独特的物理、电子、化学和光学特性，使其具有广泛的应用价值。此外，这些不同的材料表现出广泛的组成和性质，使它们适合于各种应用。二维材料在许多领域都显示出了巨大的潜力，包括光电探测、催化、传感器、能量存储和转换以及生物医学等。本文全面概述了二维纳米材料再各种关键应用中的最新进展，重点关注它们在传感器、锂离子电池、光电探测器、电磁波吸收、光催化和电催化等方面的应用。图 4 为二维材料在光电探测器方面的应用。

图 4. 二维材料在光电探测器方面的应用 [7,8,9,10,11]

研究总结

二维纳米材料的制备和应用研究已经取得了重大进展。机械剥离法已经被广泛应用于实验室研究和制备二维纳米管的器件制造中。此外，化学气相沉积可以生产大面积、高质量的石墨烯和二维过渡金属硫化物，为二维纳米材料的商业化提供了坚实的基础。其次，在应用方面，基于二维纳米材料对气体的较强吸附能力和对环境波动的高灵敏度，已被开发出气体传感器。由于其对可见光的响应能力和良好的化学稳定性，二维纳米材料已经在光催化领域得到了广泛的应用，并显示出其巨大的制备和应用潜力。

同时本文提出二维材料未来发展方向：

1. 探索新型二维纳米材料；

2. 研究多功能二维纳米材料；

3. 改进二维纳米材料制备技术；

4. 扩展二维纳米材料应用范围，充分发挥其优势。

参考文献

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[1] An, L.; Yu, Y.; Bai, C.; Bai, Y.; Zhang, B.; Gao, K.; Wang, X.; Lai, Z.; Zhang, J. Exfoliation of 2D van der Waals crystal in ultra-high vacuum for interface engineering. Sci. Bull. 2022, 67, 1345–1351.

[2] An, L.; Yu, Y.; Bai, C.; Bai, Y.; Zhang, B.; Gao, K.; Zhang, J. Simultaneous production and functionalization of hexagonal boron nitride nanosheets by solvent-free mechanical exfoliation for superlubricant water-based lubricant additives. NPJ 2D Mater. Appl. 2019, 3, 28. 

[3] Chen, L.; Yang, C.; Yan, C. High-performance UV detectors based on 2D CVD bismuth oxybromide single-crystal nanosheets. J. Mater. Sci. Technol. 2020, 48, 100–104.

[4] Zhang, Z.; Xu, X.; Song, J.; Gao, Q.; Li, S.; Hu, Q.; Li, X.; Wu, Y. High-performance transistors based on monolayer CVD MoS₂ grown on molten glass. Appl. Phys. Lett. 2018, 113, 202103.

[5] Chen, Z.; Xie, C.; Wang, W.; Zhao, J.; Liu, B.; Shan, J.; Wang, X.; Hong, M.; Lin, L.; Huang, L.; et al. Direct growth of wafer-scale highly oriented graphene on sapphire. Sci. Adv. 2021, 7, 0115.

[6] Li, J.; Chen, M.; Zhang, C.; Dong, H.; Lin, W.; Zhuang, P.; Zhang, X. Fractal-theory-based control of the shape and quality of CVD-grown 2D materials. Adv. Mater. 2019, 31, 1902431.

[7] Urich, A.; Unterrainer, K.; Mueller, T. Intrinsic response time of graphene photodetectors. Nano Lett. 2011, 11, 2804–2808.

[8] Nidhi; Jakhar, A.; Uddin, W.; Kumar, J.; Nautiyal, T.; Das, S. Nanolayered black arsenic-silicon lateral heterojunction photodetector for visible to mid-infrared wavelengths. ACS Appl. Nano Mater. 2020, 3, 9401–9409.

[9] Qiu, Q.; Huang, Z. Photodetectors of 2D materials from ultraviolet to terahertz waves. Adv. Mater. 2021, 33, 2008126.

[10] Wu, J.; Ma, H.; Zhong, C.; Wei, M.; Sun, C.; Ye, Y.; Xu, Y.; Tang, B.; Luo, Y.; Sun, B.; et al. Waveguide-integrated PdSe₂ photodetector over a broad infrared wavelength range. Nano Lett. 2022, 22, 6816–6824.

[11] Yang, M.; Luo, Z.; Gao, W. Robust deposition of sub-millimeter WSe₂ drive ultrasensitive gate-tunable 2D material photodetectors. Adv. Opt. Mater. 2022, 10, 2200717.

原文出自 Materials 期刊

Guo, Y.-T.; Yi, S.-S. Recent Advances in the Preparation and Application of Two-Dimensional Nanomaterials. Materials 2023, 16, 5798.

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主编：Maryam Tabrizian, McGill University, Canada

主要关注材料科学与工程研究相关各个领域的最新研究成果，包括但不限于高分子、纳米材料，能源材料、复合材料、碳材料、多孔材料、生物材料、建筑材料、陶瓷、金属等，以及材料物理化学、催化、腐蚀、光电应用、结构分析和表征，建模等。

2022 Impact Factor	3.4
2022 CiteScore	5.2
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Time to Publication	38 Days

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