超薄有機(jī)納米片的可控合成及其在非均相催化中的應(yīng)用.pdf

1、自石墨烯發(fā)現(xiàn)以來(lái)，具有原子或者分子厚度的過(guò)渡金屬鹵化物(TMDs)，黑鱗(BPs)，貴金屬納米片等二維材料便受到了科學(xué)家們的廣泛關(guān)注。相對(duì)于其類似物，二維材料具有獨(dú)特的物理化學(xué)性質(zhì)。但是目前很多技術(shù)性問(wèn)題（大規(guī)模制備、易堆疊等）仍然制約著二維材料的進(jìn)一步發(fā)展。我們開展的研究主要就集中在如何高效制備二維材料上。
　　一方面，基于層狀金屬有機(jī)框架(MOF)晶體，我們通過(guò)配體層間插入和化學(xué)還原斷裂的方式，成功地制備出二維(2D)金屬有機(jī)

2、框架(MOF)納米片。此方法的新穎性在于，通過(guò)化學(xué)配位鍵的作用，含有化學(xué)可斷裂基團(tuán)的試劑（4，4'-dipyridyl disulfide）可以插入到層狀金屬有機(jī)框架(MOF)的層與層之間。在含膦的親核試劑作用下，有機(jī)配體中二硫鍵可以快速地發(fā)生還原反應(yīng)。另外，在一定程度上，二硫鍵的還原進(jìn)程可以調(diào)控二維(2D)金屬有機(jī)框架(MOF)納米片的厚度?；瘜W(xué)剝離在室溫下可以高效的進(jìn)行，并可以近57％的總收率獲得二維(2D)金屬有機(jī)框架(MOF)納

3、米片。而且制備出的二維(2D)金屬有機(jī)框架(MOF)納米片可用于非均相的光催化氧化反應(yīng)。
　　另一方面，我們通過(guò)無(wú)機(jī)強(qiáng)酸輔助的溶劑熱剝離法，成功地利用層狀碳化氮材料制備出相應(yīng)的納米片。這種剝離方法不僅簡(jiǎn)單高效，而且無(wú)機(jī)強(qiáng)酸可以通過(guò)離心收集循環(huán)使用。值得一提是，這種剝離方法適用于不同碳氮比例的層狀碳化氮材料(g-C3N4，C2N，Aza-CMP)。制備的g-C3N4納米片可用于光催化產(chǎn)氫中，且其產(chǎn)氫效率在同等條件下明顯高于剝離前的樣

4、品。
　　此外，化石燃料的燃燒導(dǎo)致了全球的能源危機(jī)及環(huán)境污染問(wèn)題，這在很大程度上促進(jìn)了可再生能源系統(tǒng)和能源儲(chǔ)存系統(tǒng)的發(fā)展，如可充放電的金屬空氣電池和可再生的燃料電池等。由于具有很高的理論能量密度，金屬空氣電池在未來(lái)的電學(xué)設(shè)備上具有很廣闊的應(yīng)用空間。其中可充放電的鋅空電池以其特有的優(yōu)點(diǎn)，如環(huán)境友好和安全高效等，在眾多的金屬空氣電池中使其成為一種理想的選擇。
　　現(xiàn)階段電催化研究領(lǐng)域的熱點(diǎn)集中在，1）如何降低電化學(xué)催化劑中貴金屬

5、（如Pt，Ir或者Ru）的用量;2）直接用其他材料取代貴金屬的使用，同時(shí)電化學(xué)催化劑依然保持良好的催化性能。在眾多的研究方向中，無(wú)貴金屬參與的低成本、高活性、高耐受性和使用壽命長(zhǎng)的電化學(xué)催化劑的開發(fā)已成為主流研究。
　　現(xiàn)階段電化學(xué)催化劑的設(shè)計(jì)主要有以下兩種思路:1）雜原子摻雜。理論計(jì)算和實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)都表明，使用雜原子替換掉晶格中的sp2碳原子可以調(diào)節(jié)材料的電子分布狀態(tài)及材料的給電子能力，并由此提供氧氣吸附和氧氣還原的活性位點(diǎn)，從而達(dá)

6、到提高電化學(xué)催化劑的催化活性。2）金屬納米粒子的復(fù)合。以石墨烯為例，這類碳材料具有很大的比表面積，且結(jié)構(gòu)穩(wěn)定。如果我們使用高催化活性的金屬納米粒子與之復(fù)合，則得到的復(fù)合材料同時(shí)具備兩種復(fù)合材料的優(yōu)點(diǎn)，而且會(huì)具有更加優(yōu)異的催化性能。
　　我們基于以上兩點(diǎn)思路，開發(fā)了一種高效的雙功能催化劑（ORR和OER），并成功的用這種電化學(xué)催化劑組裝了三電極的鋅空電池。與標(biāo)準(zhǔn)電化學(xué)催化劑Pt/C及RuO2相比，我們開發(fā)的電化學(xué)催化劑能量利用效率有