哈工大（威海）周薇薇課題組ACS Nano綜述:一種新興的制備2D基泡沫材料的發泡策略研究進展

背景介紹/導讀

二維（2D）材料由于其優異的物理化學性質和量子尺寸效應，因此被廣泛應用于各個領域。然而，常規的用于合成2D材料的溶劑熱、化學刻蝕法、模板法等面臨著無法解決2D材料堆疊、純化過程復雜、難以實現規模化生產等問題。

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近日，哈爾濱工業大學（威海）周薇薇課題組在材料類國際頂級期刊《ACS Nano》發表題為“Advances in Inorganic Foam Materials Fabricated Via Blowing Strategy: A Comprehensive Review” （DOI: 10.1021/acsnano.4c05321）的綜述性論文。該綜述系統總結了一種制備2D基無機泡沫材料的發泡策略，即通過將發泡劑引入聚合物凝膠前驅體，借助熱解過程中釋放的氣體將其轉化成泡沫產品。值得一提的是，該方法具備實現大規模生產2D基泡沫材料的能力，以氣體為模板無需復雜昂貴的純化工藝。本文從不同的泡沫產品（BCN輕質元素泡沫、碳泡沫和石墨烯泡沫、金屬氧化物泡沫、金屬磷化物泡沫、金屬硫族化合物泡沫、單原子泡沫等）全面總結了發泡策略制備無機泡沫材料的歷史，發泡過程中的靜力學和動力學條件，以及發泡的要素條件（前驅體和發泡劑）。總結了該策略在儲能、催化、吸附、電磁屏蔽及阻燃等領域的應用。最后，作者總結了發泡策略目前存在的挑戰并提出了未來研究的重點方向，旨在讓更多研究人員認識發泡策略，釋放其潛力。本文通訊作者為周薇薇副教授，通訊單位為哈爾濱工業大學（威海）材料科學與工程學院，本科畢業生龐子墨、陳志超、李健宇為該論文的共同第一作者。

綜述概覽

發泡策略作為一種新興的合成二維基泡沫材料的方法，在近十年取得迅速發展，但很少有全面的綜述進行系統性總結。因此，本綜述從三個方面系統介紹了發泡策略：1）介紹了發泡策略的發展歷史，了解發泡過程的靜態和動態性，總結其關鍵設計因素。2）對從不同發泡體系獲得的各種泡沫產品進行了總結，突出了發泡策略具有普適性合成的能力。3）總結了這些泡沫在儲能、電催化和吸附等領域的應用。最后，強調了進一步研究發泡策略的必要性，包括利用先進的原位表征技術進一步探索吹塑機理，開發更多基于小分子或大分子的發泡體系，以實現對泡沫產品成分和結構的高度控制，并延伸更多的應用領域以挖掘無機泡沫的潛力。

圖1: 發泡產品的種類、特點以及應用領域

圖2： 發泡策略的歷史發展概述

圖3： 通過發泡法制備金屬氧化物泡沫

圖4： 通過發泡法制備金屬碳化物泡沫

圖5： 通過發泡法制備金屬硫族化合物泡沫

圖6： 通過發泡法制備單原子泡沫

圖7： 發泡策略在其他合成方法中的應用

圖8： 發泡策略在儲能領域中的應用

圖9： 發泡策略在電催化領域中的應用

圖10： 發泡策略在吸附領域中的應用

圖11： 發泡策略在其他領域中的應用

課題組介紹

周薇薇課題組長期致力于碳基電極材料的設計制備、分析表征及器件應用等方面的研究工作。近年來著重在探索新的發泡體系，并利用化學發泡法制備多種類、多功能二維材料基三維泡沫體。課題組首先提出利用羧基-羥基間的酯化反應，通過化學發泡法成功制備了數十種二維材料基三維泡沫體（Adv. Mater., 2018, 30, 1803569.）。此后又設計發展了一維碳納米管@三維碳泡沫的共生雜化結構（Nanoscale, 2019, 11, 7624, 封面）。在此基礎上，課題組還提出了植酸-半胱氨酸發泡體系，成功制備了金屬磷化物@N, P, S-共摻雜三維碳泡沫結構（Mater. Today Energy, 2021, 21, 100734.）；以及EDTA-硫脲發泡體系，成功制備了一系列金屬硫族化合物/碳泡沫復合材料（Adv. Funct. Mater. 2024, 34, 2306997）。課題組針對化學發泡法的相關研究，為一系列二維材料基三維泡沫體材料的合成提供了新手段。

作者介紹

周薇薇，哈爾濱工業大學（威海），材料科學與工程學院，副教授，博導。主要從事鋰/鈉離子電池電極材料的設計、制備，電化學反應機制探索以及器件應用等方面的工作。相關研究成果發表論文60余篇，他引6000余次，H因子37，授權10項中國發明專利。主持國家自然科學基金面上基金、青年基金等項目，獲得山東省高等學校科學技術獎三等獎。