第一作者：Zhenyu Shi, Yiyao Ge, Qinbai Yun
通讯作者：张华 教授
通讯单位：香港城市大学
背景介绍
自 2004 年获得机械剥离石墨烯以来，二维 (2D) 纳米材料引起了越来越多的研究兴趣。二维纳米材料的超薄厚度和相对较大的横向尺寸使其具有各种有趣的特性，例如引人注目的电子特性、超高比表面积、 优良的机械性能等。、目前，已经制备出具有不同组成、结构和（晶）相的多种二维纳米材料，包括石墨烯及其衍生物、过渡金属二硫化物（TMD）、金属等。同时，广泛的研究工作致力于探索这些具有增强性能的二维纳米材料的潜在应用。两种或多种纳米材料的复合制备新型复合材料可以有效地整合各个组件的优势，从而优化它们在特定应用中的性能。在各种复合方法中，模板化合成方法，即使用预合成的纳米材料作为模板来指导二级纳米结构的生长，提供了一种制备具有高度可控性的复合材料的有效方法。二维纳米材料的超薄厚度、大比表面积和多种理化性质使其成为构建具有所需结构、性质和功能的复合材料的理想模板。到目前为止，各种二维纳米材料已被用作模板来生长不同种类的纳米材料，包括金属、金属氧化物、金属硫族化物、金属有机骨架（MOFs）等，以形成二维纳米材料模板复合材料，在各种领域都显示出应用潜力。
本文要点
1. 本综述首先简要介绍了二维纳米材料的一般研究背景以及制备二维纳米材料模板复合材料的动机。
2.总结了本课题组在二维纳米材料模板复合材料方面的进展和其他一些代表性工作，特别强调了石墨烯模板复合材料、二维 TMD 模板复合材料和二维金属模板复合材料。
3.描述了以石墨烯为模板的零维 (0D)、一维 (1D) 和二维复合材料的代表性示例，以及新兴的以石墨烯为模板的范德瓦尔斯异质结构。
4.介绍了典型的二维 TMD 模板复合材料，例如金属氧化物、金属和金属硫族化物。
5.介绍了二维金属模板复合材料，并强调二维金属模板的晶相可以在异质结构的受控合成中发挥重要作用。
6.介绍了使用二维金属氧化物、金属氢氧化物、金属硫化物和 MOF 作为模板构建的其他复合材料。
7.展示了二维纳米材料模板复合材料的潜在应用，包括电催化、电子设备、电池等。
8.最后，在简要总结之后，提出了这一新兴领域的挑战和未来研究方向的一些个人见解。
图文介绍
图 1. 一些具有代表性的 2D 纳米材料模板复合材料的示意图，包括石墨烯模板复合材料、2D TMD 模板复合材料和 2D 金属模板复合材料。
图 2. (a) 在 GO 和 rGO 上形成 Ag 粒子的方案。(b) GO 纳米片模板化得到的 Ag 纳米粒子的原子力显微镜 (AFM) 图像和（插图）高度剖面。(c) rGO 纳米片上 Co3O4 纳米粒子的 TEM 图像。插图显示了 Co3O4/rGO 复合材料的选区电子衍射 (SAED) 图。(d) 在 rGO 上形成 Au 纳米点链的方案。(e) rGO 上 Au 纳米点链的透射电子显微镜 (TEM) 图像。(f) TEM 和 (g) GO 上生长的蝌蚪形 Au 纳米线的高分辨率 TEM (HRTEM) 图像。(h) 在 GO 上形成 Au 方片（表示为 AuSS）的方案。(i) TEM 和 (j) Au 方片的 HRTEM 图像。(j) 中的插图显示了典型 Au 方片的晶体模型。(k) GO 模板介孔二氧化硅片的制备方案。(l) GO 模板介孔二氧化硅片的 TEM 图像。(m) h-BN-石墨烯面内异质结构的扫描电子显微镜 (SEM) 和 (n) 扫描隧道显微镜 (STM) 图像。Gr代表石墨烯。
图 3. (a) AFM 高度图像显示了 MoO3−MoS2 复合材料的厚度。(b) AFM 相图显示了 MoO3 在单层 MoS2 上的分布。(c) TEM 和 (d) Pt NPs/MoS2 杂化纳米片的 HRTEM 图像显示 Pt NPs 在 MoS2 纳米片上外延生长。(c) 中的插图显示了 Pt NPs/MoS2 的 SAED 图案。(e) TEM 图像和 (f) CuS-TiS2 复合材料的 SAED 图。(g, h)（左）示意图和（中）光学和（右）SEM 图像（g）在 850 °C 下合成的垂直堆叠 WS2/MoS2 复合材料和（h）合成的 WS2/MoS2 面内复合材料 在 650 °C。(i) 光学显微镜和 (j) WS2-WSe2-WS2-WSe2 超晶格的拉曼映射图像。(k, l) (k) MoS2@ZIF-8 和 (l) PtNPs/MoS2@ZIF-8 核壳复合材料的 TEM 图像。纳米颗粒和纳米片在 (l) 中分别表示为 NPs 和 NSs。
图 4. (a) Pd@Ru 纳米片 (NSs) 的合成示意图。(b, c) (b) Pd@Ru 纳米片和 (c) 立式 Pd@Ru 纳米片的 HAADF-STEM 图像。(d, e) 异相 Au/Pd 复合材料的 HAADF STEM 图像。具有较高对比度的结晶 Au 簇和非晶 Pd 区域分别由 (e) 中的红色圆圈和正方形标记。(f) SAED 图案和 (g) Au@Ag 核壳纳米带的 HRTEM 图像，显示 4H/fcc 异相结构。(h) Au@Co 纳米带的 TEM 图像。(i) Au@Co 纳米带的环形明场 STEM 图像，显示 4H Au 和 14H Co 沿密排方向的原子排列。(j) 通过在 2H Au 方形 NS 上外延生长 Pt 来合成具有 (101)f 取向的 fcc Au@Pt 菱形纳米板和具有 (100)f 取向的 fcc Au@Pt 方形纳米板的示意图。(k) 通过在 2H/fcc 异相 Au 纳米片上选择性外延生长 Rh 纳米棒合成三种 Rh-Au 复合材料的示意图。(l) Pd/ZIF-8 Janus 纳米结构的 TEM 图像。插图：典型 Pd/ZIF-8 Janus 纳米结构的 SEM 图像（右上）和示意图（左下）。
图 5. (a) A 型、(b) B 型和 (c) C 型纳米结构复合材料的 (a-c) TEM 图像，该复合材料通过在六角形 CuS 衍生材料上受控外延生长 CdS 或 CdSe 纳米棒阵列合成纳米片。插图显示了相应纳米结构的示意图。(d) SEM 和（插图）STEM 图像和（e）TEM 图像和（插图）一维/二维 PCN-222/PCN-134 异质结构的示意图。(f) SEM 图像和 (g) STEM 图像和（插图）2D/2D Zr-BTB/PCN-134 异质结构的示意图。
图 6. (a) 与不同催化剂（即 Rh/C、Pt/C 和 2H/fcc Au 纳米片）相比，C 型 Rh-Au 的线性扫描伏安图，用于 0.5 M H2SO4 中的 HER。(b) 比较不同电催化剂（即 C 型 Rh-Au、Rh/C 和 Pt/C）在 10 mA cm-2 时的过电势（左轴）和 30 mV 过电势时的 TOF 值（右轴）。(c) 在 4H Au@Cu 复合材料上获得的不同 CO2RR 产品的 FE。(d) 在 1.0 M KOH 水溶液中测试的用于 OER 的 Ni/Ni(OH)2 复合材料、IrO2、Ni(OH)2 和 Ni 纳米片的电极表面积归一化极化曲线。(e) 在 SiNx/Si 衬底上具有 VSe2 vdW 触点的双层 WSe2 晶体管的输出和 (f) 传输特性。g) EG-MoS2 复合材料和裸 MoS2 在 1 A g−1下作为 LIB 阳极的循环性能。(h) EG-MoS2 复合材料作为 SIB 阳极在 1 A g−1 下的循环性能。
结论
总之，具有超薄厚度、高比表面积和多样理化性质的二维纳米材料已被广泛用作理想模板，与多种纳米材料杂化，包括金属、金属氧化物、金属硫族化物、MOFs等，通过多种合成方法。合成的二维纳米材料模板复合材料在广泛的应用中表现出优异的性能，特别是在催化、电子、电池等领域。
尽管在过去的几十年中取得了长足的进步，但二维纳米材料模板复合材料的可控合成、机理研究和应用探索仍然面临挑战。首先，二维纳米材料模板的结构在决定二次纳米结构的生长以及所得复合材料的结构、性能和功能方面起着重要作用。因此，二维纳米材料模板结构的精确工程对于设计和构建具有所需特性和功能的新型复合材料势在必行，这仍然具有挑战性。其次，尽管已经开发了许多合成方法，但具有所需成分和结构的二维纳米材料模板复合材料的受控和可扩展合成仍然很困难。第三，二次纳米结构在二维纳米材料模板上的生长机制仍需充分了解。此外，虽然二维纳米材料模板复合材料的潜在应用已经被探索多年，但距离满足工业应用的要求还有很长的路要走。
展望
展望1：迫切需要开发通用的、可控的、可扩展的合成方法来制备具有所需结构、性能和功能的新型二维纳米材料，这些材料可以作为新型模板来指导二维纳米材料模板化复合材料的下一步制备。特别是，设计二维纳米材料模板的相是最有前途的策略之一。最近，各种具有非常规晶相、非晶相和异相结构的二维纳米材料模板，例如高相纯度 1T'-TMD 纳米片和非晶/结晶异相 Pd 和 Rh 纳米片据报道显示有趣的特性和应用。通过使用这些新型二维纳米材料作为模板，相信可以获得多种新型二维纳米材料模板复合材料。
展望2：应不断努力开发具有组分和结构可控的二维纳米材料模板复合材料的大规模合成方法。最有吸引力的策略之一是溶液相外延生长方法。二维纳米材料模板的结构以及生长的二次纳米材料可以在溶液相合成中轻松定制，这为二维纳米材料模板复合材料的大规模合成提供了巨大的机会。
展望3：应对二维纳米材料模板复合位点的生长机制进行全面系统的研究，以指导未来复合材料的设计和制备。通过使用原位或操作技术表征二维纳米材料模板复合材料的形成可以监测结构、成分和化学状态的转变，从而提供对形成机制的深入了解。此外，理论研究，例如密度泛函理论和分子动力学模拟，也有助于揭示二维纳米材料模板复合材料的形成机制和预测功能，特别是在人工智能和先进算法的快速发展的帮助下。
展望4：尽管已经在实验室中进行了概念验证应用，但应致力于探索合成二维纳米材料模板复合材料的实际应用。由于实验室的实验条件与实际工业中的不同，实验室的稳定性测试通常只持续较短的时间，实验室测量的二维纳米材料模板复合位点的性能可能不代表其在实际条件下的性能。因此，应制备具有高稳定性和耐久性的二维纳米材料模板复合材料，并在工业条件下进一步优化其性能，以探索其未来的实际应用。
论文信息
Zhenyu Shi, Yiyao Ge, Qinbai Yun, and Hua Zhang, Two-Dimensional Nanomaterial-Templated Composites, Accounts of Chemical Research, 2022,
DOI: 10.1021/acs.accounts.2c00579
转自：“我要做科研”微信公众号
如有侵权，请联系本站删除！
