二维材料以优良性能在各领域表现出巨大潜力,单层MoSi₂N₄材料具有非磁性半导体和良好的稳定性。采用基于密度泛函理论的第一性原理计算研究在氮、硅、钼空位下二维MoSi₂N₄的光电性质。研究结果显示:和本征二维MoSi₂N₄相比,外层氮和钼原子缺陷结构的禁带宽度缩减极大,而内层氮和硅原子缺陷结构的禁带宽度分别为0.781和0.736 eV,均有所减小。在导电类型方面,二维MoSi₂N₄因为内层氮缺陷由p型半导体转变为n型半导体。同时,各个缺陷结构均使二维MoSi₂N₄发生了不同程度的红移。二维MoSi₂N₄以材料性能优异,研究光电性能对新一代光电器件具有重要意义。

MXene(Ti₃C₂T_x)是于2011年新发现的一种新型二维过渡族金属碳化物／氮化物,因其具有独特的类石墨烯层状结构、良好的金属导电性、优异的亲水性、可调控的层间距等优点,近年来在电池领域备受关注。主要总结了MXene(Ti₃C₂T_x)及其复合材料的合成策略及制备方法,并对Ti₃C₂T_x复合材料在电池领域中的应用研究进展进行了归纳和展望,希望能为高性能MXene电极材料的制备及其在离子电池中的应用提供科学参考及理论借鉴。

基于密度泛函理论的第一性原理计算,通过对最新报道出的二维材料单层SiP₂进行原子替换,预测出单层SiAs₂, α-SiAsP, β-SiAsP 3种新型二维材料,并对3种材料的晶体结构、稳定性、电子能带结构和光学性质进行分析验证。通过静电势计算验证出3种材料在与平面垂直的方向具有非对称性,是Janus材料;声子谱计算结构表明3种材料具有良好的结构稳定性;电子结构计算结果表明上述材料为间接带隙半导体,带隙大小分别为2.21,2.43,1.76 eV;吸收光谱计算结果表明3种材料可以有效地吸收可见光和紫外光,其中β-SiAsP甚至可以吸收近红外光。因此,预测出单层SiAs2, α-SiAsP和β-SiAsP二维Janus材料在光学和电子领域具有一定的应用前景。

制备具有高比表面积的二维多孔h-BN材料是实现高效CO₂吸附的主要途径之一。采用氯化镁(MgCl₂)和氯化钾(KCl)作为熔盐反应介质,以硼砂(Na₂B₄O₇)和三聚氰胺(C₃H₆N₆)为主要原料,制备了二维多孔h-BN材料,研究了熔盐种类及合成温度对产物的组成、形貌、孔隙结构及CO₂吸附性能的影响。研究结果表明,以KCl为熔盐得到h-BN与r-BN共存的产物,以MgCl₂为熔盐得到纯度更高的h-BN材料。相较于KCl,以MgCl₂为熔盐能显著提升h-BN材料的比表面积,并将二维h-BN材料的合成温度降低至1 000 ℃。当合成温度为900 ℃时,以MgCl₂为熔盐得到的h-BN材料比表面积最高且CO₂吸附性能最好,分别为281.78 m²/g和7.69 cm³/g。

寻找清洁高效的能源已经成为了人类可持续发展的优先目标,氢能作为绿色高效的能源已然成为了当今世界关注的焦点。目前,常用的储氢方式例如使用高压将氢气压缩进气瓶或低温液化都具有一定的安全问题,因此固体储氢的方式受到广泛关注。其中对MXene(新型二维材料)等轻量级高性能固体材料的大量探索性研究发现,Ti₂C MXene的最大氢吸附量可达8.6%(质量分数),远高于美国能源部(2015)规定的金属基氢化物的质量容量(5.5%(质量分数))。尽管MXene具有巨大的潜力,但其在储氢方面的应用尚未得到充分的探索。介绍了目前MXene作为储氢材料的最新研究成果及应用方向。

具有层状结构的二维过渡金属碳/氮化物材料(MXene)因其优良的导电性、良好的亲水性以及丰富的表面化学结构得到了大部分研究者的关注。着眼于MXene的先进制备方法及过程展开综述,同时综述了其在电学方面(包括超级电容器,电池材料和电催化)的研究进展。在MXene超级电容器中相较于普通水系电解液,有机电解液或离子电解液往往可以提供更高的输出电压,进而产生更高的能量密度,同时溶剂的化学性质对MXene中分子/离子的排列也有着极大的影响。于MXene基电池材料而言,通过改变MXene薄片组装方式与电极制造方法制备的分层结构可以防止聚集再堆积,而引入阳离子空位的方法也可有效提高其作为电池材料时的性能。此外还论述了几种改善MXene基材料电催化水分解反应性能的策略。旨在综述MXene的制备,结构及其在电学方面的应用与优化,并对未来可研究的方向与可能面临的挑战进行探讨。

MXene材料是由前过渡金属碳、氮化物组成的无机化合物,二维MXene及其复合材料具有类石墨烯层状结构、高比表面积、优异的导电性和丰富的表面活性位点,近年来在材料领域成为研究热点。本文聚焦二维MXene材料在气体传感器领域的应用前景,从MXene和气敏性能等角度进行了综述,重点对MXene及其(无机/有机)复合材料用作气敏材料的制备方法和传感器性能进行了综述,并提出了二维MXene用于气敏领域在材料设计策略、敏感机理等方面存在的机遇和挑战,为该类新兴材料在气敏领域的潜在应用提供借鉴。

MXene是一种新型二维过渡金属碳化物/氮化物。作为二维材料,MXene具有大的比表面积和丰富的表面官能团,表面容易吸附气体分子,且吸附的气体分子会影响材料的导电性能。因此,MXene可以用来作为新型气敏材料。从理论到实验的角度综述各种MXene(Ti₃C₂ MXene、V₂C MXene、Mo₂C MXene等)的气敏性能以及气敏应用,归纳不同MXenes对气体的响应特性,分析MXene的气敏机理,总结MXene作为气敏材料的优势和缺点,展望MXene在气体传感器领域的未来应用前景。

采用钼酸铵作为钼源,硫脲作为硫源,通过水热法构建CdS纳米棒与二维MoS₂异质结材料,通过XRD、SEM、TEM、PL、UV-vis等技术对异质结进行表征,结果表明,片状MoS₂自组装形成的类球体与CdS纳米棒所形成的异质结(MoS₂所占质量分数分别为1%、5%、10%),能够有效提高CdS的可见光吸收强度,光生载流子与空穴得到了有效的分离,从而体现出卓越的光催化将降解性能。CdS/MoS₂-10%性能最优,在10 mg复合催化剂对50 mL浓度为20 mg/L罗丹明B的光催化降解实验中,降解效率能够达到99%;并且在5次循环实验中,CdS/MoS₂二元异质结的催化活性没有明显的衰减。

利用密度泛函理论(density function theory,DFT)模拟计算了二维Ⅳ-Ⅵ 硫族化合物(MXs:SnS、SnSe、SnTe、GeS、GeSe和GeTe)的本征结构和电子特性,重点研究了双轴应变对MXs的能带结构特点、带隙大小和费米能级的影响。发现应变对单层MXs的色散关系影响不大,但是对带隙大小的影响较大,而且压缩应变对带隙的影响大于拉伸应变。同时应变还可以调节GeSe、GeTe、SnSe和SnTe的直接带隙与间接带隙之间的转换。在应变的作用下单层 MXs的费米能级随应变系数ε值的增加而降低,且压缩应变的影响大于拉伸应变的影响。采用应变工程研究二维MXs电子特性的变化趋势能为下一步实验上设计出高性能的二维半导体器件提供理论依据。

二维纳米二硫化钨具有特殊层状结构、可调节带隙、稳定的物理化学性质等优点吸引了国内外研究人员的关注。本文综述了二维纳米二硫化钨的最新研究进展,介绍二维纳米二硫化钨的晶体结构、光学性质、能带结构,归纳了二维纳米二硫化钨的制备方法,以及在光催化剂、光电检测器、润滑剂、场效应晶体管等领域的应用,展望了二维纳米二硫化钨未来的研究前景。

二维过渡族金属碳化物/氮化物(MXene)是二维材料家族的新兴成员,通过液相刻蚀等方法移除MAX相的A层得来。独特的二维结构及表面化学组成,使其表现出了良好的金属导电性、亲水性、优异的柔韧性及离子可插层性,在超级电容器研究与应用领域展现了巨大的潜力,受到了广泛关注。但是MXene仍存在诸多问题。首先,片层容易发生堆叠,极大降低了材料与电解液的有效接触面面积;在刻蚀过程中,化学键断裂处具有较高的活性,极易反应生成表面基团,表面基团的存在对电化学性能有较大影响;合成路线中强腐蚀液的使用也会造成安全、环境等诸多问题。对MXene的结构、性质、制备方法等进行了简要概述,总结了近年来MXene在超级电容器领域的研究进展和方向,旨在从中发现解决MXene诸多问题思路,以期为制备高性能MXene超级电容器电极材料提供参考。

本征缺陷是半导体中最常见的缺陷,对本征缺陷在带电情况下的电学和磁学性质进行研究对深入理解半导体材料属性至关重要。本文基于密度泛函理论,首先对二维六方氮化硼(h-BN)的本征电子结构、载流子有效质量,弹性模量、杨氏模量和泊松比进行计算,发现其载流子有效质量具有各向异性,力学性质具有各向同性。然后对h-BN中最稳定价态下4种本征缺陷(V_B,V_N, B_N, N_B)的结构、电学和磁学性质进行深入讨论,结合电子配位构型和自旋态密度解释了各种缺陷在不同带电价态下的磁矩产生机制。

掺杂对提高半导体材料的载流子浓度,改善半导体器件性能具有关键意义。理论上,通过计算带电缺陷形成能和电荷转移能级可以预测半导体材料中的p型掺杂是否容易实现。本文基于广义梯度近似理论,利用第一性原理方法,结合二维带电缺陷校正技术,并使用维也纳第一性原理计算软件(VASP)系统计算了二维六方氮化硼(h-BN)中的几种掺杂体系,包括X_B体系(X=Be, Mg, Ca, Sr)和Y_N体系(Y=C, Si, Ge)共7种潜在的p型掺杂体系的缺陷性质。计算结果表明,SiN缺陷的受主离子化能为0.8 eV,表现为准浅能级受主,而其它6种缺陷均为深能级受主,无法为h-BN提供有效p型载流子。SiN具有较高的缺陷形成能,因而只能靠离子注入等非平衡方式掺入到h-BN中。

二维过渡金属碳/氮化物(MXene)具有类石墨烯的结构,微观上呈现片层状和多种表面基团,因此具有良好的导电性、离子传输和高亲水性能,并且成为超级电容器的理想电极材料。但MXene层与层容易坍塌、堆叠与官能团的存在,不利于作为电极材料的性能。通过热处理、离子插层和与碳复合等方法提高其电化学性能拥有巨大的应用前景。首先总结了MXene材料的制备方法,然后概述了表面改性和结构优化等对MXene超级电容器的电化学性能的影响,展望了MXene材料在超级电容器上的研究前景。

采用冷却热饱和溶液法,以正丁基碘化胺(BAI)为有机元,碘化铅(PbI₂)为无机元来合成二维钙钛矿材料。通过调整BAI与PbI₂的配比及反应温度来研究不同因素对所合成钙钛矿产率和结晶质量的影响。利用SEM、XRD、紫外可见吸收及荧光光谱对合成的二维钙钛矿材料进行表征。确定了冷却热饱和溶液法制备二维BA₂PbI₄的最佳反应条件为,氢碘酸为溶剂,m(BAI)∶m(PbI₂)=2.5∶1,水浴加热温度为85 ℃,水浴时间为120 min。

二维层状材料是具有单原子层或几个原子层厚度的平面材料,有着特殊的物理化学性能,在光电功能器件、吸附与分离、催化等领域具有重要应用前景,是目前国际研究的前沿和热点领域之一。其中,石墨烯是最先受到人们重视的二维材料,随即以过渡金属硫化物为主的类石墨烯二维光电功能材料也被广泛研究。近年来黑磷的发现也极大促进了二维光电材料的研究和发展。二维光电材料中石墨烯及类石墨烯硫化物的研究及其光电功能器件应用现状进行简单综述,并对其应用趋势进行展望,为光电材料研究领域的研究提供参考。

采用一种改进的方法制备了类石墨烯的Ti₃C₂T_x二维材料。首先采用氢氟酸刻蚀Ti₃AlC₂,然后向插层溶剂二甲亚砜中添加表面活性剂十六烷基三甲基溴化铵协助二甲亚砜共同插层,最后经超声处理制备Ti₃C₂T_x。XRD测试表明,由于表面活性剂的协助插层作用,插层剂分子更容易进入Ti₃C₂T_x层间,显著增加其层间距,减小层间的相互作用力,便于其剥离。氮气吸脱实验证实该方法制备的Ti₃C₂T_x具有更高的比表面积和孔容。电化学测试表明,由制备的Ti₃C₂T_x组装成的对称性电容器具有更高的比电容,在0.5 A/g电流密度下的比电容达75.0 F/g,当充电电流增加至4 A/g时,其电容维持在57.0 F/g。在1 A/g的电流密度下,经过2 500次的充放电循环后,制备的Ti₃C₂T_x材料的比电容为61.5 F/g,循化稳定率达87.0%。

二维材料通常具有层状、片状、或是条带状的独特微观结构,由于这种特殊的结构,使二维材料具有优异的光学、力学、电学等性能。生物质炭材料因其具有高导电性、大的比表面积且环保、廉价等优点成为储能器件研究方向的热点。基于生物质二维炭材料在锂离子电池以及超级电容器领域的应用,综述了其研究进展,并对生物质二维炭材料的研究前景进行展望。

近年来,二维层状纳米材料在生物医学领域引起研究人员的广泛关注。然而,这些二维层状纳米材料所具备的生物学性质尚未被完全探明,其相应的生物学应用仍有很大的局限性。联合使用超声和溶剂热剥离的方法对二硫化钼(MoS₂)和二硫化钨(WS₂)粉末进行处理,成功制备小尺寸二维层状纳米材料MoS₂和WS₂。通过抗坏血酸催化氧化实验,首次制备得到的二维层状纳米材料MoS₂和WS₂均具有类氧化酶活性,并且纳米MoS₂的类氧化酶活性高于纳米WS₂。进一步实验表明两种层状纳米材料均能够氧化抗氧化生物分子-谷胱甘肽,对革兰氏阴性菌(大肠杆菌)和阳性菌(金黄色葡萄球菌)均表现出有效的抗菌活性。此外,发现MoS₂的抗菌活性高于WS₂,这与两者的类氧化酶活性一致。

新型的二维层状材料凭借着其优异的机械、光学、电学等独特性能受到研究者广泛关注,二维层状材料如石墨烯、过渡金属硫族化合物等在柔性器件等领域具有潜在的应用前景,成为了现阶段研究热点之一;然而,应用的前提是高质量的二维材料大面积可控制备。利用化学气相沉积方法制备了二维的MoS₂,探讨了放置衬底的差异对合成二维的MoS₂的影响。结果表明,在其它相同的实验条件下,face-up和face-down的放置位置制备的MoS₂具有不同的形状、在衬底上的覆盖率不同;尽管如此,两种放置情况下,获得的单层的MoS₂具有类似的结构和荧光特性。研究结果对可控合成二维的MoS₂以及其它的TMDs均具有指导意义和参考价值。

报道了一种改进的液相剥离方法以实现MoS₂二维纳米片的高效制备。在MoS₂球磨的过程中引入轻质CaCO₃粒子作为微磨球,引入少量N-甲基吡咯烷酮作分散剂,在400 r/min下球磨一定时间得到充分研磨细化的MoS₂纳米粒子。将其与含适量HCl的45%的酒精水溶液充分混合后,再进行高速剪切液相剥离,可实现MoS₂二维纳米片的高效制备。利用纳米粒度仪、AFM、TEM、拉曼光谱等对所制得的MoS₂二维纳米片进行了表征。结果表明,这种改进的球磨结合高速剪切的液相剥离方法可获得的最高产量达54.43 mg/mL。

以山茶花花瓣为模板，经硝酸铈溶液浸渍后煅烧,合成新型超薄CeO2分层介孔纳米片。采用X射线衍射(XRD)、场发射扫描电子显微镜(FESEM)、透射电子显微镜(TEM)、原子力显微镜（AFM)、紫外-可见漫反射光谱(UV-Vis/ DRS)和氮气吸附-脱附等分析手段对样品进行了表征。结果表明所得样品是由厚度约为6 nm的具有生物形态结构的萤石结构CeO2纳米片组成。制得的CeO2薄层表面存在大量介孔，其孔径集中分布于15 nm左右。由紫外-可见漫反射吸收光谱可知，材料的吸收边较块体CeO2红移了约35 nm，因此可利用更多的可见光，从而具有了更高的光催化活性。组成CeO2纳米片晶粒粒径较小，比表面积大。在阳光照射下表现出了较强的光催化活性，在90 min内对亚甲基蓝的降解率可达98%，远高于普通CeO2块体。

纳米隔热材料具有优良的隔热性能，在高超声速飞行器热防护技术中有着广泛应用前景。本文针对纳米隔热材料固体构架导热系数的尺寸效应，基于声子辐射传输方程建立了声子导热的二维计算模型，采用离散坐标法进行数值计算，以SiO2二维纳米链为例，对其横向及纵向导热系数尺寸效应进行了数值模拟。模拟结果表明，SiO2纳米隔热材料的二维纳米链导热具有明显尺寸效应，导热系数主要受纳米链直径影响，对直径2nm~4nm的纳米链，其导热系数比块材的导热系数小15%以上，本文研究结果对认识纳米隔热材料内固体构架热量传递机理具有一定指导作用。

采用粘度法和二维红外相关光谱法对胶原/羟丙甲基纤维素共混体系的相容性及相互作用进行了研究。粘度法测定结果表明：羟丙甲基纤维素含量小于30%时共混体系相容，超过50%则不相容。二维红外相关光谱法的分析结果表明：当羟丙甲基纤维素含量小于30%时，归属于羟丙甲基纤维素的C-O(H)伸缩振动峰1061cm-1与归属于胶原酰胺带的 C＝O对称伸缩振动峰1660cm-1、N-H摇摆振动峰1553cm-1和N-H面内变形振动峰1238cm-1之间存在同步负交叉峰，表明胶原和羟丙甲基纤维素之间存在氢键作用；而当羟丙甲基纤维素含量大于30%时，同步图中负交叉峰强度减小的同时同步峰1061cm-1的强度明显变大，表明此时羟丙甲基纤维素与胶原之间的氢键作用变弱，羟丙甲基纤维素更倾向于在自身分子之间形成氢键。

以N-羟基琥珀酰亚胺己二酸酯(NHS-AA)为交联剂，交联改性碱溶胶原溶液，采用二维红外相关光谱法研究了交联对胶原二级结构的影响。研究发现，交联未影响胶原红外特征吸收峰的位置，但1672、1554和1241 cm-1归属于胶原酰胺I带的C=O伸缩振动、酰胺II带的C-N伸缩与N-H弯曲振动和III带的N-H面内变形振动峰之间存在同步正交叉峰，表明随交联共价键的增加，胶原的链段构象发生了变化。在NHS-AA用量增加的过程中，胶原二级结构变化的顺序为：酰胺III带＞酰胺I带＞酰胺II带＞-CH3＞-CH-。由此可见，二维红外相关分析法能提供由交联引起的胶原构象动态变化的微观信息，为进一步研究改性胶原结构与功能之间的关系提供实验依据。

基于超声浸水透射技术，分别沿着二维正方晶格钢/水声子晶体第一布里渊Γ-X和Γ-M方向测试声带隙，详细分析了声子晶体Γ-X 和Γ-M方向层厚和第一方向带隙稳定性的关系，进而为设计有限尺寸声带隙材料或声波器件提供重要参考依据。同时，对比了实验测得透射谱频率重合范围与平面波展开法计算完全带隙很好的吻合。