二維無(wú)機(jī)材料剝離、納米層組裝及其功能化
本書(shū)是一本系統(tǒng)論述二維無(wú)機(jī)材料的基礎(chǔ)理論性著作，以不同電性二維無(wú)機(jī)材料為主線，圍繞二維無(wú)機(jī)材料的制備技術(shù)、膨潤(rùn)與剝離、具體剝離方法、二維納米片層功能化四部分展開(kāi)論述，將剝離理論與具體應(yīng)用技術(shù)相結(jié)合。書(shū)中依據(jù)二維無(wú)機(jī)材料層板電性不同，負(fù)電性二維無(wú)機(jī)材料主要討論層狀二氧化錳、層狀二氧化鈦和層狀過(guò)渡金屬碳、氮化物，正電性二維無(wú)機(jī)材料主要對(duì)層狀雙金屬氫氧化物（LDHs）進(jìn)行討論，中性二維無(wú)機(jī)材料主要討論層狀二硫化鉬、層狀黑磷及層狀磷烯等。最后，另設(shè)章節(jié)專門(mén)論述了二維納米片層孔洞化及其材料電化學(xué)儲(chǔ)能。
本書(shū)適合作為化學(xué)和材料類高年級(jí)本科生、研究生的教材，以及二維層狀材料及功能材料研究人員的科研參考用書(shū)。
本書(shū)為國(guó)家科學(xué)技術(shù)學(xué)術(shù)著作出版基金項(xiàng)目，是陜西師范大學(xué)劉宗懷等人多年研究成果與教學(xué)的積累。圖書(shū)以不同電性二維無(wú)機(jī)材料為主線，從二維無(wú)機(jī)材料制備技術(shù)，二維無(wú)機(jī)材料膨潤(rùn)及剝離原理及規(guī)律，二維納米片層組裝原理及組裝納米功能材料應(yīng)用四個(gè)方面進(jìn)行論述和討論。全書(shū)分為11章：第1章為二維無(wú)機(jī)材料總論；第2-3章主要論述二維無(wú)機(jī)材料的剝離原理、本質(zhì)和剝離規(guī)律性，即二維無(wú)機(jī)材料膨潤(rùn)現(xiàn)象和二維無(wú)機(jī)材料的剝離及無(wú)機(jī)納米層；第4-10章依據(jù)不同電性二維無(wú)機(jī)材料制備技術(shù)、剝離方法、剝離納米片層表征、納米片層組裝方法學(xué)及組裝納米功能材料應(yīng)用展開(kāi)論述，其中，負(fù)電性二維無(wú)機(jī)材料主要論述層狀二氧化錳、層狀二氧化鈦和層狀過(guò)渡金屬碳、氮化物，正電性二維無(wú)機(jī)材料主要對(duì)層狀雙金屬水合氫氧化物（LDHs）進(jìn)行論述，中性二維無(wú)機(jī)材料主要論述層狀MoS2、層狀黑磷及層狀銻烯等；第11章主要論述二維納米片層組裝材料在儲(chǔ)能領(lǐng)域，特別在二次電池及超級(jí)電容器等方面的應(yīng)用。
劉宗懷教授在二維層狀材料制備、剝離及其功能化研究方面持續(xù)工作二十余年，系統(tǒng)研究了二維層狀材料膨潤(rùn)及剝離過(guò)程、規(guī)律性及其納米片層組裝納米層狀功能材料，特別是在層狀二氧化錳制備、膨潤(rùn)及剝離原理及規(guī)律性及二氧化錳納米片層組裝納米功能材料研究方面研究特色明顯，成果突出。發(fā)現(xiàn)了層狀二氧化錳短距離膨潤(rùn)和剝離現(xiàn)象，從分子水平理論分析了短距離膨潤(rùn)和剝離原因，闡明了二維層狀材料膨潤(rùn)及剝離本質(zhì)所在，揭示了負(fù)電性二維層狀材料短距離膨潤(rùn)和剝離規(guī)律性。以層狀二氧化錳膨潤(rùn)及剝離規(guī)律性為指導(dǎo)，系統(tǒng)研究了二維層狀氧化石墨、層狀MoS2及層狀黑磷，取得了系列開(kāi)拓性研究成果，積累了豐富的理論知識(shí)和研究經(jīng)驗(yàn)。
二維無(wú)機(jī)層狀材料是一類重要的固體功能材料，其層與層之間弱的相互作用、層板內(nèi)強(qiáng)的共價(jià)鍵作用以及分子級(jí)納米層板厚度等獨(dú)特的結(jié)構(gòu)特性，為該類材料的膨潤(rùn)、剝離、納米片層功能化及設(shè)計(jì)組裝新型納米層狀功能材料提供了理論及實(shí)踐上的可行性，成為設(shè)計(jì)、組裝和制備二維納米材料重要的前驅(qū)體或基本組裝單元。近二十年來(lái)，二維無(wú)機(jī)層狀材料及其剝離所得二維納米片層的研究出現(xiàn)了井噴式發(fā)展趨勢(shì)，所組裝材料在儲(chǔ)能材料、光催化材料、吸附材料及磁性材料等領(lǐng)域展現(xiàn)了廣闊的應(yīng)用前景。
二維無(wú)機(jī)層狀材料及其剝離所得二維納米片層的基礎(chǔ)和應(yīng)用研究已經(jīng)取得了顯著進(jìn)步。針對(duì)不同類型二維無(wú)機(jī)層狀材料，圍繞其制備技術(shù)、插層反應(yīng)機(jī)制、膨潤(rùn)和剝離過(guò)程以及納米片層組裝二維納米功能材料等方面，發(fā)展了許多獨(dú)特的制備新技術(shù)，闡明了二維無(wú)機(jī)層狀材料的插層反應(yīng)機(jī)制，發(fā)展了二維無(wú)機(jī)層狀材料膨潤(rùn)和剝離新體系，實(shí)現(xiàn)了二維納米材料應(yīng)用性的突破。這些工作的特點(diǎn)是特定類型二維無(wú)機(jī)層狀材料研究目標(biāo)明確，解決問(wèn)題針對(duì)性強(qiáng)，且相應(yīng)的文獻(xiàn)報(bào)道和書(shū)籍較多。但是，對(duì)于不同類型二維無(wú)機(jī)層狀材料的結(jié)構(gòu)差異性導(dǎo)致的插層反應(yīng)機(jī)制、膨潤(rùn)和剝離行為的本質(zhì)規(guī)律以及納米片層組裝二維納米材料等研究的系統(tǒng)性有待加強(qiáng)，需要一本有關(guān)其制備、膨潤(rùn)和剝離、納米片層功能化的系統(tǒng)性著作以彌補(bǔ)這方面的不足。因此，本書(shū)的編寫(xiě)思想是以不同電性二維無(wú)機(jī)層狀材料為主線，從二維無(wú)機(jī)層狀材料的制備、膨潤(rùn)及剝離原理、剝離方法、二維納米片層功能化等方面進(jìn)行論述和討論，以彌補(bǔ)相近書(shū)籍只注重二維無(wú)機(jī)層狀材料制備或只注重其剝離現(xiàn)象及剝離材料應(yīng)用，而對(duì)剝離本質(zhì)及原理的系統(tǒng)論述和討論不足的現(xiàn)狀，為化學(xué)和材料類高年級(jí)本科生、研究生和二維層狀材料及功能材料研究人員提供一本系統(tǒng)論述二維無(wú)機(jī)層狀材料的基礎(chǔ)理論性著作。
本書(shū)主要內(nèi)容包括二維無(wú)機(jī)層狀材料制備技術(shù)，二維無(wú)機(jī)層狀材料膨潤(rùn)、剝離原理及方法，二維納米片層功能化以及納米功能材料應(yīng)用四大部分。全書(shū)共分11章，第1章為二維無(wú)機(jī)層狀材料總論；第2～3章主要論述二維無(wú)機(jī)層狀材料膨潤(rùn)、剝離原理和規(guī)律性，即二維無(wú)機(jī)層狀材料的膨潤(rùn)現(xiàn)象、剝離以及無(wú)機(jī)納米片層；第4～10章依據(jù)不同電性二維無(wú)機(jī)層狀材料，從制備技術(shù)、剝離方法、剝離納米片層、納米片層功能化及組裝材料的應(yīng)用分別展開(kāi)論述。依據(jù)二維無(wú)機(jī)層狀材料層板電性的不同，負(fù)電性二維無(wú)機(jī)層狀材料主要集中討論層狀二氧化錳、層狀二氧化鈦和層狀過(guò)渡金屬碳、氮化物，正電性二維無(wú)機(jī)層狀材料主要對(duì)層狀雙金屬水合氫氧化物（LDHs）進(jìn)行討論，中性二維無(wú)機(jī)層狀材料主要討論層狀MoS2、層狀黑磷及層狀磷烯等；第11章主要論述二維納米片層的孔洞化及其材料的電化學(xué)儲(chǔ)能。
本書(shū)初稿部分內(nèi)容系陜西師范大學(xué)材料科學(xué)與工程學(xué)院的講義。在講義使用過(guò)程中，不少老師和學(xué)生都提出了寶貴意見(jiàn)，編者謹(jǐn)向他們表示感謝。
本書(shū)在編寫(xiě)過(guò)程中，還參考了國(guó)內(nèi)外出版的一些教材、著作和論文，在學(xué)習(xí)過(guò)程中獲得了啟發(fā)和教益，編者謹(jǐn)向作者表示感謝。
最后，感謝化學(xué)工業(yè)出版社的熱情鼓勵(lì)、支持和幫助。
由于編者水平有限，疏漏和不當(dāng)之處在所難免，懇請(qǐng)各位專家和同行以及閱讀使用本書(shū)的教師和同學(xué)們提出寶貴意見(jiàn)，以便及時(shí)更正。
劉宗懷
2021年4月于陜西師范大學(xué)
劉宗懷，陜西師范大學(xué)教授，在無(wú)機(jī)層狀材料的制備、剝離及納米層組裝方向有20年以上的工作和研究經(jīng)歷，對(duì)于無(wú)機(jī)層狀化合物的剝離及剝離得到的納米層組裝層狀納米功能材料有比較系統(tǒng)的理解和應(yīng)用，特別是首次發(fā)現(xiàn)了層狀二氧化錳剝離行為，利用剝離得到的二氧化錳納米層組裝了系列在儲(chǔ)能材料方面有應(yīng)用價(jià)值的層狀納米功能材料。主要體現(xiàn)在開(kāi)發(fā)了不同電性無(wú)機(jī)層狀化合物剝離新技術(shù)，實(shí)現(xiàn)了溫和條件下不同電性納米層組裝制備納米層狀功能材料，為實(shí)現(xiàn)超級(jí)電容器能量密度及容量改善提供了新途徑。這些關(guān)聯(lián)研究成果先后獲得國(guó)家863課題、國(guó)家自然科學(xué)基金等項(xiàng)目10余項(xiàng)資助，在Small、Mater. Chem.、J. Power Sources等刊物發(fā)表論文130余篇，他引4000余次，獲中國(guó)授權(quán)發(fā)明專利9項(xiàng)。
第1章 二維無(wú)機(jī)層狀材料總論
1.1 概述 2
1.2 二維無(wú)機(jī)層狀材料的結(jié)構(gòu)特征及分類 3
1.3 無(wú)機(jī)層狀材料的制備方法 5
1.3.1 固相制備法 5
1.3.2 液相制備法 6
1.3.3 氣相制備法 7
1.4 二維無(wú)機(jī)層狀材料的插層反應(yīng)類型 7
1.4.1 離子交換法 7
1.4.2 分子嵌入法 9
1.4.3 柱形化法 9
1.4.4 剝離/重組法 10
1.5 二維無(wú)機(jī)層狀材料的功能化及其應(yīng)用 12
參考文獻(xiàn) 15
第2章 二維無(wú)機(jī)層狀材料的膨潤(rùn)和剝離
2.1 概述 19
2.2 二維無(wú)機(jī)層狀材料的膨潤(rùn) 19
2.2.1 膨潤(rùn)過(guò)程中的物理化學(xué)特性 22
2.2.2 短距離膨潤(rùn)過(guò)程中的能量變化 25
2.2.3 長(zhǎng)距離膨潤(rùn)過(guò)程 26
2.2.4 發(fā)生膨潤(rùn)現(xiàn)象的無(wú)機(jī)層狀材料 28
2.3 二維無(wú)機(jī)層狀材料的剝離 30
2.3.1 剝離反應(yīng)行為 30
2.3.2 剝離反應(yīng)過(guò)程 32
2.3.3 剝離反應(yīng)體系 34
參考文獻(xiàn) 35
第3章 無(wú)機(jī)納米片層及納米片層組裝
3.1 無(wú)機(jī)納米片層 38
3.1.1 納米片層的構(gòu)造 39
3.1.2 納米片層的制備 40
3.1.3 納米片層的表征 52
3.1.4 納米片層的性質(zhì) 58
3.1.5 納米片層的應(yīng)用 61
3.2 無(wú)機(jī)納米片層的組裝 62
3.2.1 絮凝組裝 62
3.2.2 交替沉積組裝 65
3.2.3 Langmuir-Blodgett組裝 67
3.2.4 冷凍/或噴霧干燥組裝 69
參考文獻(xiàn) 71
第4章 層狀二氧化錳
4.1 二氧化錳的結(jié)構(gòu)及分類 75
4.1.1 二氧化錳的結(jié)構(gòu)特征 75
4.1.2 層狀二氧化錳的結(jié)構(gòu)特征 76
4.1.3 隧道型二氧化錳的結(jié)構(gòu)特征 77
4.2 二氧化錳的制備技術(shù) 80
4.2.1 固相反應(yīng)法和熔融鹽法 81
4.2.2 氧化還原沉淀法 82
4.2.3 水熱和溶劑熱法、水熱軟化學(xué)法 83
4.3 不同結(jié)構(gòu)二氧化錳的性質(zhì) 84
4.3.1 層狀二氧化錳的性質(zhì)和反應(yīng)特征 84
4.3.2 隧道型二氧化錳的性質(zhì)及反應(yīng)特征 87
4.3.3 二氧化錳的離子篩性質(zhì) 90
4.4 層狀二氧化錳的短距離膨潤(rùn) 92
4.4.1 季銨離子的插層膨潤(rùn)過(guò)程 93
4.4.2 插層反應(yīng)Kielland曲線 103
4.4.3 短距離膨潤(rùn)的影響因素 104
4.5 層狀二氧化錳的剝離 109
4.5.1 四甲基銨插層二氧化錳水洗剝離 109
4.5.2 剝離過(guò)程的影響因素 112
4.5.3 四丁基銨插層二氧化錳剝離 114
4.5.4 二氧化錳納米片層的室溫一步制備 116
4.6 二氧化錳納米片層的精細(xì)調(diào)控 118
4.6.1 納米片層尺寸的控制 118
4.6.2 納米片層組成和結(jié)構(gòu)的調(diào)控 118
4.6.3 納米片層靜電自組裝 119
參考文獻(xiàn) 124
第5章 層狀二氧化鈦
5.1 二氧化鈦及層狀鈦酸鹽結(jié)構(gòu) 128
5.1.1 二氧化鈦的晶體結(jié)構(gòu) 128
5.1.2 層狀鈦酸鹽結(jié)構(gòu) 129
5.2 層狀鈦酸鹽的制備和離子交換 132
5.2.1 層狀鈦酸鹽制備技術(shù) 132
5.2.2 層狀鈦酸鹽的離子交換 133
5.2.3 摻雜層狀鈦酸鹽和層狀鈦酸 135
5.3 層狀二氧化鈦的膨潤(rùn)和剝離 137
5.3.1 插層反應(yīng)及膨潤(rùn) 137
5.3.2 膨潤(rùn)與剝離過(guò)程 144
5.3.3 滲透膨潤(rùn)與剝離關(guān)系 146
5.4 二氧化鈦納米片層的表征 150
5.4.1 小角X射線散射 150
5.4.2 透射電子顯微鏡和原子力顯微鏡表征 152
5.4.3 納米片層的尺寸控制 154
5.5 二氧化鈦納米片層的性質(zhì) 157
5.5.1 光學(xué)性質(zhì) 157
5.5.2 電學(xué)性質(zhì) 159
5.5.3 催化性質(zhì) 160
5.5.4 理論分析 161
5.6 二氧化鈦納米片層的組裝及功能化 162
5.6.1 組裝二維薄膜 162
5.6.2 組裝粉狀納米結(jié)構(gòu) 168
5.6.3 誘導(dǎo)相轉(zhuǎn)移 172
參考文獻(xiàn) 174
第6章 層狀雙金屬氫氧化物
6.1 LDHs的組成、結(jié)構(gòu)和性質(zhì) 178
6.1.1 LDHs的組成和結(jié)構(gòu) 178
6.1.2 LDHs的性質(zhì) 179
6.2 LDHs制備技術(shù) 183
6.2.1 共沉淀法 183
6.2.2 均相沉淀法 184
6.2.3 水熱制備法 184
6.2.4 離子交換法 185
6.2.5 焙燒復(fù)原法 186
6.2.6 表面原位制備技術(shù) 186
6.2.7 模板法 187
6.2.8 其它制備方法 187
6.3 LDHs剝離過(guò)程 188
6.3.1 層間環(huán)境改善條件下剝離 190
6.3.2 機(jī)械力驅(qū)動(dòng)剝離 195
6.3.3 水介質(zhì)中剝離 201
6.3.4 低溫堿介質(zhì)中剝離 203
6.3.5 等離子體誘導(dǎo)剝離 205
6.3.6 奧斯特瓦爾德熟化-驅(qū)動(dòng)剝離 206
6.3.7 LDHs納米片層直接制備 207
6.4 正電性LDH納米片層功能化 212
6.4.1 層板陽(yáng)離子摻雜功能化 212
6.4.2 納米片層缺陷功能化 214
6.4.3 納米片層孔洞功能化 215
參考文獻(xiàn) 216
第7章 層狀過(guò)渡金屬碳化物
7.1 MAX相的結(jié)構(gòu)、制備及性質(zhì) 220
7.1.1 MAX相的結(jié)構(gòu) 220
7.1.2 MAX相的制備 221
7.1.3 MAX相的性質(zhì) 223
7.2 MXene的結(jié)構(gòu)、制備及性質(zhì) 224
7.2.1 MXene的結(jié)構(gòu) 224
7.2.2 MXene材料的制備 225
7.3 MXene層狀材料剝離 233
7.3.1 MAX相制備MXene材料的剝離能 234
7.3.2 插層/機(jī)械輔助剝離 234
7.3.3 Al兩性下的TMAOH插層/剝離 239
7.3.4 無(wú)氟刻蝕剝離 239
7.3.5 凍結(jié)-融化輔助剝離 242
7.3.6 藻類提取物剝離 244
7.4 MXene及納米片層性質(zhì) 245
7.4.1 MXene插層性質(zhì) 245
7.4.2 納米片層分散液的穩(wěn)定性 246
7.4.3 納米片層缺陷性質(zhì) 248
7.4.4 納米片層液晶相 248
參考文獻(xiàn) 251
第8章 過(guò)渡金屬硫族化合物
8.1 TMDs層狀結(jié)構(gòu) 255
8.2 TMDs剝離 257
8.2.1 機(jī)械剝離法 257
8.2.2 液相剝離法 261
8.3 特殊結(jié)構(gòu)與性質(zhì)TMDs納米片層 277
8.3.1 缺陷納米片層 277
8.3.2 異質(zhì)原子摻雜納米片層 280
8.3.3 合金化納米片層 281
8.3.4 純1T/1T'相納米片層 283
8.3.5 納米片層表面化學(xué) 284
8.4 TMDs納米片層性質(zhì) 286
8.4.1 電子結(jié)構(gòu)和光學(xué)性質(zhì) 286
8.4.2 力學(xué)性質(zhì) 287
8.4.3 摩擦和熱性質(zhì) 288
參考文獻(xiàn) 289
第9章 層狀黑磷
9.1 層狀黑磷結(jié)構(gòu) 293
9.2 層狀黑磷的制備 294
9.2.1 高溫/高壓法 295
9.2.2 礦化劑輔助法 296
9.3 層狀黑磷剝離 296
9.3.1 機(jī)械剝離轉(zhuǎn)移法 297
9.3.2 液相剝離 299
9.3.3 液相超聲輔助剝離 300
9.3.4 溶劑熱輔助液相剝離 306
9.3.5 剪切力輔助液相剝離 307
9.3.6 等離子體輔助減薄剝離 308
9.4 磷烯納米片層性質(zhì) 309
9.4.1 物理性質(zhì) 309
9.4.2 化學(xué)穩(wěn)定性 312
9.5 磷烯納米片層缺陷工程 313
參考文獻(xiàn) 315
第10章 單元素層狀材料
10.1 硼烯結(jié)構(gòu)、制備及納米層性質(zhì) 320
10.1.1 硼烯結(jié)構(gòu) 320
10.1.2 硼烯制備 322
10.1.3 硼烯性質(zhì) 328
10.2 硅烯結(jié)構(gòu)、制備及其性質(zhì) 331
10.2.1 硅烯結(jié)構(gòu) 331
10.2.2 硅烯制備 332
10.2.3 硅烯電子結(jié)構(gòu) 335
10.2.4 硅烯功能化 337
參考文獻(xiàn) 339
第11章 納米片層孔洞化及其電化學(xué)儲(chǔ)能
11.1 電化學(xué)儲(chǔ)能原理 343
11.2 電化學(xué)電容器分類及工作原理 344
11.2.1 電化學(xué)電容器分類 344
11.2.2 電化學(xué)電容器工作原理 345
11.3 鋰離子二次電池及工作原理 347
11.4 二維納米儲(chǔ)能電極材料的結(jié)構(gòu)調(diào)控 349
11.5 納米片層孔洞化策略 350
11.5.1 氧化還原孔洞化機(jī)制 352
11.5.2 模板導(dǎo)向孔洞化機(jī)制 362
11.6 孔洞化納米片層材料電化學(xué)儲(chǔ)能 366
11.6.1 超級(jí)電容器儲(chǔ)能 366
11.6.2 二次電池儲(chǔ)能 374
11.7 孔洞化納米片層電化學(xué)儲(chǔ)能應(yīng)用展望 378
參考文獻(xiàn) 380
索引
書(shū)單推薦
