盧紅斌課題組在構(gòu)建交替排列的石墨烯基二維異質(zhì)結(jié)構(gòu)取得重要進(jìn)展
二維異質(zhì)結(jié)構(gòu)在集成材料設(shè)計中具有廣闊的應(yīng)用前景，但目前的合成策略仍面臨著多層異質(zhì)結(jié)構(gòu)構(gòu)建和大規(guī)模生產(chǎn)的挑戰(zhàn)。為了解決此問題，復(fù)旦大學(xué)高分子科學(xué)系盧紅斌課題組報告了一種基于非剝離層狀氧化石墨烯(LGO)的主客體策略，以構(gòu)建由多層交替排列的石墨烯和金屬氧化物納米片組成的石墨烯基異質(zhì)結(jié)構(gòu)。二維排列的氧化石墨烯和開放的層內(nèi)空間使LGO成為創(chuàng)建周期性二維宿主框架的理想平臺。聚醚胺低聚物被用來共價連接相鄰的氧化石墨烯。伸長的分子鏈構(gòu)象使制備得到的手風(fēng)琴狀石墨烯框架（AGOF）具有良好的結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性、周期性和超大的層間空間。由于開放的、排列良好的二維通道與客體材料金屬離子前驅(qū)體的高度親和性，AGOF可以限域合成各種高質(zhì)量的二維石墨烯基異質(zhì)結(jié)構(gòu)。此外，在去除石墨烯骨架后，還可以獲得各種剝離的超薄氧化物納米片。此項工作中提出的靈活可調(diào)的層間化學(xué)，為合成一系列高質(zhì)量的石墨烯-無機(jī)/有機(jī)二維異質(zhì)結(jié)構(gòu)提出了工業(yè)可行的新思路。
本項工作的研究要點(diǎn)：
- AGOF的合成和表征：
采用非剝離層狀氧化石墨烯(LGO)制備了基于石墨烯的異質(zhì)結(jié)構(gòu)的前驅(qū)體AGOF。LGO由排列良好的氧化石墨烯納米片組成，氧化石墨烯納米片含有豐富的含氧官能團(tuán)和相似的片尺寸和納米級的層間間隔。柔性層間化學(xué)使LGO成為設(shè)計二維受限空間的獨(dú)特前驅(qū)體。受到網(wǎng)狀化學(xué)的啟發(fā),一個定義良好的周期性結(jié)構(gòu)通常是由構(gòu)建母體(LGO)和連接物（聚合物）兩個單位,因此本項工作通過聚醚胺分子對石墨烯層間距的交聯(lián)，提出了一個準(zhǔn)確調(diào)控AGOF層間距的方法，典型的AGOF合成過程如圖1所示。由于線性聚醚胺(PEA)的氨基端基可以通過開環(huán)加成反應(yīng)與LGO的環(huán)氧基團(tuán)發(fā)生反應(yīng)，因此可作為交聯(lián)劑，并使LGO中的氧化石墨烯片層被牢牢固定，形成結(jié)構(gòu)穩(wěn)定的AGOF框架材料。
圖1. AGOF的合成和表征
- 交替排列的石墨烯-金屬氧化物異質(zhì)結(jié)的制備與表征
AGOF具有高度可開放的層間空間，為多種石墨烯基異質(zhì)結(jié)構(gòu)的合成提供了平臺。PEA分子的延伸鏈構(gòu)象和親水性質(zhì)有利于各種金屬離子擴(kuò)散到層間空間，然后轉(zhuǎn)變成層狀金屬氫氧化物或氧化物。利用AGOF和原位沉淀反應(yīng)，本項工作合成了幾種石墨烯基的、交替排列的金屬氧化物異質(zhì)結(jié)構(gòu)，包括ZnFe2O4、TiO2、Fe2O3、Mn2O3和Co3O4。核心處理過程如圖2a所示。為了控制沉淀反應(yīng)只發(fā)生在層間空間內(nèi)，在金屬鹽充分?jǐn)U散到層間后，通過過濾除去AGOF外的鹽溶液。隨后(PEA)與金屬離子結(jié)合，使AGOF內(nèi)的層狀金屬氫氧化物快速形成。以AGOF/ZnFe2O4異質(zhì)結(jié)構(gòu)(G/ZnFe2O4)的研究為例，對石墨烯基異質(zhì)結(jié)構(gòu)在合成過程中的結(jié)構(gòu)演化進(jìn)行了分析（圖2b-e）。 得到的G/ZnFe2O4異質(zhì)結(jié)構(gòu)很好地保持了風(fēng)琴狀骨架形貌(圖2f和g)，表現(xiàn)出了良好的結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性。這主要來自于層間橋聯(lián)的PEA分子鏈，它也促進(jìn)了金屬鹽離子的均勻分布，形成了規(guī)則的、表面光滑的ZnFe2O4納米片(圖2h-j)。
圖2. 交替排列的石墨烯-金屬氧化物異質(zhì)結(jié)的制備與表征
綜上所述，盧紅斌課題組展示了一種通過構(gòu)建具有二維開放孔道的高度有序氧化石墨烯框架來構(gòu)建分層交替排列的石墨烯基二維異質(zhì)結(jié)構(gòu)的通用方法。
以上成果以Article的形式發(fā)表于上SCIENCE CHINA Materials。 Ruan, Y. §; Zhao Z.§; Zhang J.*; Lu H.*. Alternately Aligned 2D Heterostructures Enabled by d-Spacing Accessible, Highly Periodic Accordion-Like Graphene Oxide Frameworks (Awaiting Production Checklist). 該論文的共同第一作者分別為阮英波博士和2017級直博生趙則棟，共同通訊作者為張佳佳博士和盧紅斌教授。
版權(quán)與免責(zé)聲明：本網(wǎng)頁的內(nèi)容由收集互聯(lián)網(wǎng)上公開發(fā)布的信息整理獲得。目的在于傳遞信息及分享，并不意味著贊同其觀點(diǎn)或證實其真實性，也不構(gòu)成其他建議。僅提供交流平臺，不為其版權(quán)負(fù)責(zé)。如涉及侵權(quán)，請聯(lián)系我們及時修改或刪除。郵箱：sales@allpeptide.com