哈工大（威海）周薇薇课题组ACS Nano综述:一种新兴的制备2D基泡沫材料的发泡策略研究进展

背景介绍/导读

二维（2D）材料由于其优异的物理化学性质和量子尺寸效应，因此被广泛应用于各个领域。然而，常规的用于合成2D材料的溶剂热、化学刻蚀法、模板法等面临着无法解决2D材料堆叠、纯化过程复杂、难以实现规模化生产等问题。

全文速览

近日，哈尔滨工业大学（威海）周薇薇课题组在材料类国际顶级期刊《ACS Nano》发表题为“Advances in Inorganic Foam Materials Fabricated Via Blowing Strategy: A Comprehensive Review” （DOI: 10.1021/acsnano.4c05321）的综述性论文。该综述系统总结了一种制备2D基无机泡沫材料的发泡策略，即通过将发泡剂引入聚合物凝胶前驱体，借助热解过程中释放的气体将其转化成泡沫产品。值得一提的是，该方法具备实现大规模生产2D基泡沫材料的能力，以气体为模板无需复杂昂贵的纯化工艺。本文从不同的泡沫产品（BCN轻质元素泡沫、碳泡沫和石墨烯泡沫、金属氧化物泡沫、金属磷化物泡沫、金属硫族化合物泡沫、单原子泡沫等）全面总结了发泡策略制备无机泡沫材料的历史，发泡过程中的静力学和动力学条件，以及发泡的要素条件（前驱体和发泡剂）。总结了该策略在储能、催化、吸附、电磁屏蔽及阻燃等领域的应用。最后，作者总结了发泡策略目前存在的挑战并提出了未来研究的重点方向，旨在让更多研究人员认识发泡策略，释放其潜力。本文通讯作者为周薇薇副教授，通讯单位为哈尔滨工业大学（威海）材料科学与工程学院，本科毕业生庞子墨、陈志超、李健宇为该论文的共同第一作者。

综述概览

发泡策略作为一种新兴的合成二维基泡沫材料的方法，在近十年取得迅速发展，但很少有全面的综述进行系统性总结。因此，本综述从三个方面系统介绍了发泡策略：1）介绍了发泡策略的发展历史，了解发泡过程的静态和动态性，总结其关键设计因素。2）对从不同发泡体系获得的各种泡沫产品进行了总结，突出了发泡策略具有普适性合成的能力。3）总结了这些泡沫在储能、电催化和吸附等领域的应用。最后，强调了进一步研究发泡策略的必要性，包括利用先进的原位表征技术进一步探索吹塑机理，开发更多基于小分子或大分子的发泡体系，以实现对泡沫产品成分和结构的高度控制，并延伸更多的应用领域以挖掘无机泡沫的潜力。

图1: 发泡产品的种类、特点以及应用领域

图2： 发泡策略的历史发展概述

图3： 通过发泡法制备金属氧化物泡沫

图4： 通过发泡法制备金属碳化物泡沫

图5： 通过发泡法制备金属硫族化合物泡沫

图6： 通过发泡法制备单原子泡沫

图7： 发泡策略在其他合成方法中的应用

图8： 发泡策略在储能领域中的应用

图9： 发泡策略在电催化领域中的应用

图10： 发泡策略在吸附领域中的应用

图11： 发泡策略在其他领域中的应用

课题组介绍

周薇薇课题组长期致力于碳基电极材料的设计制备、分析表征及器件应用等方面的研究工作。近年来着重在探索新的发泡体系，并利用化学发泡法制备多种类、多功能二维材料基三维泡沫体。课题组首先提出利用羧基-羟基间的酯化反应，通过化学发泡法成功制备了数十种二维材料基三维泡沫体（Adv. Mater., 2018, 30, 1803569.）。此后又设计发展了一维碳纳米管@三维碳泡沫的共生杂化结构（Nanoscale, 2019, 11, 7624, 封面）。在此基础上，课题组还提出了植酸-半胱氨酸发泡体系，成功制备了金属磷化物@N, P, S-共掺杂三维碳泡沫结构（Mater. Today Energy, 2021, 21, 100734.）；以及EDTA-硫脲发泡体系，成功制备了一系列金属硫族化合物/碳泡沫复合材料（Adv. Funct. Mater. 2024, 34, 2306997）。课题组针对化学发泡法的相关研究，为一系列二维材料基三维泡沫体材料的合成提供了新手段。

作者介绍

周薇薇，哈尔滨工业大学（威海），材料科学与工程学院，副教授，博导。主要从事锂/钠离子电池电极材料的设计、制备，电化学反应机制探索以及器件应用等方面的工作。相关研究成果发表论文60余篇，他引6000余次，H因子37，授权10项中国发明专利。主持国家自然科学基金面上基金、青年基金等项目，获得山东省高等学校科学技术奖三等奖。