清华-伯克利深圳学院成会明、刘碧录团队在二维材料同步剥离和官能化方面取得新进展

【成果简介】

2019年1月11日，清华-伯克利深圳学院 (TBSI)成会明、刘碧录团队在《先进材料》(Advanced Materials)期刊上在线发表了题为《糖辅助力化学同步剥离和官能化氮化硼纳米片》(Simultaneous Production and Functionalization of Boron Nitride Nanosheets by Sugar‐Assisted Mechano-chemical Exfoliation)的研究论文。该工作发展了一种绿色、高效、低成本的糖辅助力化学剥离 (SAMCE) 新方法，实现了氮化硼纳米片 (BNNSs) 的同步剥离制备和官能化，并探索了氮化硼纳米片基复合材料在力学增强、透光、导热、阻燃等多功能复合材料中的应用。该SAMCE方法也适用于其他二维材料的剥离与官能化，具有普适性。

氮化硼纳米片是一种重要的二维材料，又称白石墨烯。它具有独特的力学、热学、电学、光学、阻隔特性，在功能复合材料、导热与散热、能源器件等领域具有广阔的应用前景。在氮化硼纳米片获得广泛应用之前，有两个关键问题亟待解决：一是规模化制备，以便其用于量大面广的领域；二是官能化改性，以提高其分散性。目前制备氮化硼纳米片的方法主要包括化学剥离和机械剥离两大类，但其剥离效率或官能化程度均不理想。如何实现氮化硼纳米片的绿色高效剥离和同步官能化是其规模应用的一大难题。

【图文导读】

图1. SAMCE方法制备官能化氮化硼纳米片(BNNSs)示意图及其样品微观形貌

为解决上述难题，该研究团队开发了一种绿色高效的糖辅助力化学剥离新方法（SAMCE）：将白糖与氮化硼颗粒混合球磨，实现了氮化硼纳米片的剥离制备与同步官能化，表观剥离产率高。样品表面和边缘接有糖基、羟基、氨基等官能团，在水和N,N-二甲基甲酰胺（DMF）等极性液体中具有优异的分散性。通过分析剥离过程中微观形貌和化学结构的变化并结合理论计算，提出了糖辅助力化学剥离和官能化的新机理。进一步将官能化氮化硼纳米片添加到聚乙烯醇（PVA）中，制备了多功能半透明复合膜，可屏蔽紫外光和短波蓝光，拉伸强度和散热性能大幅提高，而且具有优异的自熄特性，因此在大功率LED照明、显示器和光防护等领域具有潜在应用价值。此外，研究者还发现糖辅助力化学剥离法也适用于二硫化钼、二硫化钨、石墨纳米片等二维材料的高效制备和官能化，是一种普适性的方法。该方法使用天然、绿色、温和的白糖为助剂，采用工业上已广泛应用的球磨进行剥离和官能化，具有绿色、高效、低成本、易规模化等优势，所制备的二维材料在能源、环境、催化、电子和生物医药等领域具有广阔应用前景。

图2. 官能化氮化硼纳米片/聚乙烯醇复合膜的光学、力学、散热和阻燃性能

图3. SAMCE法制备的二硫化钼(MoS₂)、二硫化钨(WS₂)和石墨纳米片分散液及其微观形貌

该论文第一作者为TBSI博士后陈少华，通讯作者为刘碧录研究员和成会明教授，论文作者还包括博士生徐润章、刘佳曼，邹小龙研究员、丘陵研究员和康飞宇教授。该研究得到了国家自然科学基金、中国博士后科学基金以及深圳市经信委、科创委和发改委等部门的支持。

论文链接：https://onlinelibrary.wiley.com/doi/abs/10.1002/adma.201804810

本文由清华-伯克利深圳学院 (TBSI)成会明、刘碧录团队供稿，材料人编辑部编辑。

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