清華-伯克利深圳學院成會明、劉碧錄團隊在二維材料同步剝離和官能化方面取得新進展

【成果簡介】

?2019年1月11日，清華-伯克利深圳學院 (TBSI)成會明、劉碧錄團隊在《先進材料》(Advanced Materials)期刊上在線發表了題為《糖輔助力化學同步剝離和官能化氮化硼納米片》(Simultaneous? ? ? Production and Functionalization of Boron Nitride Nanosheets by Sugar‐Assisted Mechano-chemical Exfoliation) 的研究論文。該工作發展了一種綠色、高效、低成本的糖輔助力化學剝離 (SAMCE) 新方法，實現了氮化硼納米片 (BNNSs) 的同步剝離制備和官能化，并探索了氮化硼納米片基復合材料在力學增強、透光、導熱、阻燃等多功能復合材料中的應用。該SAMCE方法也適用于其他二維材料的剝離與官能化，具有普適性。

氮化硼納米片是一種重要的二維材料，又稱白石墨烯。它具有獨特的力學、熱學、電學、光學、阻隔特性，在功能復合材料、導熱與散熱、能源器件等領域具有廣闊的應用前景。在氮化硼納米片獲得廣泛應用之前，有兩個關鍵問題亟待解決：一是規模化制備，以便其用于量大面廣的領域；二是官能化改性，以提高其分散性。目前制備氮化硼納米片的方法主要包括化學剝離和機械剝離兩大類，但其剝離效率或官能化程度均不理想。如何實現氮化硼納米片的綠色高效剝離和同步官能化是其規模應用的一大難題。

【圖文導讀】

圖1. SAMCE方法制備官能化氮化硼納米片(BNNSs)示意圖及其樣品微觀形貌

為解決上述難題，該研究團隊開發了一種綠色高效的糖輔助力化學剝離新方法（SAMCE）：將白糖與氮化硼顆粒混合球磨，實現了氮化硼納米片的剝離制備與同步官能化，表觀剝離產率高。樣品表面和邊緣接有糖基、羥基、氨基等官能團，在水和N,N-二甲基甲酰胺（DMF）等極性液體中具有優異的分散性。通過分析剝離過程中微觀形貌和化學結構的變化并結合理論計算，提出了糖輔助力化學剝離和官能化的新機理。進一步將官能化氮化硼納米片添加到聚乙烯醇（PVA）中，制備了多功能半透明復合膜，可屏蔽紫外光和短波藍光，拉伸強度和散熱性能大幅提高，而且具有優異的自熄特性，因此在大功率LED照明、顯示器和光防護等領域具有潛在應用價值。此外，研究者還發現糖輔助力化學剝離法也適用于二硫化鉬、二硫化鎢、石墨納米片等二維材料的高效制備和官能化，是一種普適性的方法。該方法使用天然、綠色、溫和的白糖為助劑，采用工業上已廣泛應用的球磨進行剝離和官能化，具有綠色、高效、低成本、易規模化等優勢，所制備的二維材料在能源、環境、催化、電子和生物醫藥等領域具有廣闊應用前景。

圖2. 官能化氮化硼納米片/聚乙烯醇復合膜的光學、力學、散熱和阻燃性能

圖3. SAMCE法制備的二硫化鉬(MoS₂)、二硫化鎢(WS₂)和石墨納米片分散液及其微觀形貌

該論文第一作者為TBSI博士后陳少華，通訊作者為劉碧錄研究員和成會明教授，論文作者還包括博士生徐潤章、劉佳曼，鄒小龍研究員、丘陵研究員和康飛宇教授。該研究得到了國家自然科學基金、中國博士后科學基金以及深圳市經信委、科創委和發改委等部門的支持。

論文鏈接：https://onlinelibrary.wiley.com/doi/abs/10.1002/adma.201804810??

本文由清華-伯克利深圳學院 (TBSI)成會明、劉碧錄團隊供稿，材料人編輯部編輯。

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