CN109476491B - 多原子层状材料 - Google Patents

多原子层状材料 Download PDF

Info

Publication number
CN109476491B
CN109476491B CN201780043366.9A CN201780043366A CN109476491B CN 109476491 B CN109476491 B CN 109476491B CN 201780043366 A CN201780043366 A CN 201780043366A CN 109476491 B CN109476491 B CN 109476491B
Authority
CN
China
Prior art keywords
atomic layer
polyatomic
layer
layered material
atomic
Prior art date
Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
Active
Application number
CN201780043366.9A
Other languages
English (en)
Other versions
CN109476491A (zh
Inventor
尼丁·乔普拉
伊哈卜·N·乌达
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
SABIC Global Technologies BV
Original Assignee
SABIC Global Technologies BV
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by SABIC Global Technologies BV filed Critical SABIC Global Technologies BV
Publication of CN109476491A publication Critical patent/CN109476491A/zh
Application granted granted Critical
Publication of CN109476491B publication Critical patent/CN109476491B/zh
Active legal-status Critical Current
Anticipated expiration legal-status Critical

Links

Images

Classifications

    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01M—PROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
    • H01M4/00—Electrodes
    • H01M4/02—Electrodes composed of, or comprising, active material
    • H01M4/36—Selection of substances as active materials, active masses, active liquids
    • H01M4/362—Composites
    • H01M4/366—Composites as layered products
    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
    • C01—INORGANIC CHEMISTRY
    • C01B—NON-METALLIC ELEMENTS; COMPOUNDS THEREOF; METALLOIDS OR COMPOUNDS THEREOF NOT COVERED BY SUBCLASS C01C
    • C01B33/00—Silicon; Compounds thereof
    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
    • C01—INORGANIC CHEMISTRY
    • C01B—NON-METALLIC ELEMENTS; COMPOUNDS THEREOF; METALLOIDS OR COMPOUNDS THEREOF NOT COVERED BY SUBCLASS C01C
    • C01B33/00—Silicon; Compounds thereof
    • C01B33/02—Silicon
    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
    • C01—INORGANIC CHEMISTRY
    • C01B—NON-METALLIC ELEMENTS; COMPOUNDS THEREOF; METALLOIDS OR COMPOUNDS THEREOF NOT COVERED BY SUBCLASS C01C
    • C01B33/00—Silicon; Compounds thereof
    • C01B33/02—Silicon
    • C01B33/021—Preparation
    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
    • C01—INORGANIC CHEMISTRY
    • C01G—COMPOUNDS CONTAINING METALS NOT COVERED BY SUBCLASSES C01D OR C01F
    • C01G17/00—Compounds of germanium
    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
    • C01—INORGANIC CHEMISTRY
    • C01G—COMPOUNDS CONTAINING METALS NOT COVERED BY SUBCLASSES C01D OR C01F
    • C01G19/00—Compounds of tin
    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
    • C01—INORGANIC CHEMISTRY
    • C01G—COMPOUNDS CONTAINING METALS NOT COVERED BY SUBCLASSES C01D OR C01F
    • C01G21/00—Compounds of lead
    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
    • C30—CRYSTAL GROWTH
    • C30B—SINGLE-CRYSTAL GROWTH; UNIDIRECTIONAL SOLIDIFICATION OF EUTECTIC MATERIAL OR UNIDIRECTIONAL DEMIXING OF EUTECTOID MATERIAL; REFINING BY ZONE-MELTING OF MATERIAL; PRODUCTION OF A HOMOGENEOUS POLYCRYSTALLINE MATERIAL WITH DEFINED STRUCTURE; SINGLE CRYSTALS OR HOMOGENEOUS POLYCRYSTALLINE MATERIAL WITH DEFINED STRUCTURE; AFTER-TREATMENT OF SINGLE CRYSTALS OR A HOMOGENEOUS POLYCRYSTALLINE MATERIAL WITH DEFINED STRUCTURE; APPARATUS THEREFOR
    • C30B25/00—Single-crystal growth by chemical reaction of reactive gases, e.g. chemical vapour-deposition growth
    • C30B25/02—Epitaxial-layer growth
    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
    • C30—CRYSTAL GROWTH
    • C30B—SINGLE-CRYSTAL GROWTH; UNIDIRECTIONAL SOLIDIFICATION OF EUTECTIC MATERIAL OR UNIDIRECTIONAL DEMIXING OF EUTECTOID MATERIAL; REFINING BY ZONE-MELTING OF MATERIAL; PRODUCTION OF A HOMOGENEOUS POLYCRYSTALLINE MATERIAL WITH DEFINED STRUCTURE; SINGLE CRYSTALS OR HOMOGENEOUS POLYCRYSTALLINE MATERIAL WITH DEFINED STRUCTURE; AFTER-TREATMENT OF SINGLE CRYSTALS OR A HOMOGENEOUS POLYCRYSTALLINE MATERIAL WITH DEFINED STRUCTURE; APPARATUS THEREFOR
    • C30B29/00—Single crystals or homogeneous polycrystalline material with defined structure characterised by the material or by their shape
    • C30B29/02—Elements
    • C30B29/06—Silicon
    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
    • C30—CRYSTAL GROWTH
    • C30B—SINGLE-CRYSTAL GROWTH; UNIDIRECTIONAL SOLIDIFICATION OF EUTECTIC MATERIAL OR UNIDIRECTIONAL DEMIXING OF EUTECTOID MATERIAL; REFINING BY ZONE-MELTING OF MATERIAL; PRODUCTION OF A HOMOGENEOUS POLYCRYSTALLINE MATERIAL WITH DEFINED STRUCTURE; SINGLE CRYSTALS OR HOMOGENEOUS POLYCRYSTALLINE MATERIAL WITH DEFINED STRUCTURE; AFTER-TREATMENT OF SINGLE CRYSTALS OR A HOMOGENEOUS POLYCRYSTALLINE MATERIAL WITH DEFINED STRUCTURE; APPARATUS THEREFOR
    • C30B29/00—Single crystals or homogeneous polycrystalline material with defined structure characterised by the material or by their shape
    • C30B29/60—Single crystals or homogeneous polycrystalline material with defined structure characterised by the material or by their shape characterised by shape
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01M—PROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
    • H01M4/00—Electrodes
    • H01M4/02—Electrodes composed of, or comprising, active material
    • H01M4/36—Selection of substances as active materials, active masses, active liquids
    • H01M4/38—Selection of substances as active materials, active masses, active liquids of elements or alloys
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01M—PROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
    • H01M4/00—Electrodes
    • H01M4/02—Electrodes composed of, or comprising, active material
    • H01M4/36—Selection of substances as active materials, active masses, active liquids
    • H01M4/38—Selection of substances as active materials, active masses, active liquids of elements or alloys
    • H01M4/386—Silicon or alloys based on silicon
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01M—PROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
    • H01M4/00—Electrodes
    • H01M4/86—Inert electrodes with catalytic activity, e.g. for fuel cells
    • H01M4/90—Selection of catalytic material
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B82—NANOTECHNOLOGY
    • B82Y—SPECIFIC USES OR APPLICATIONS OF NANOSTRUCTURES; MEASUREMENT OR ANALYSIS OF NANOSTRUCTURES; MANUFACTURE OR TREATMENT OF NANOSTRUCTURES
    • B82Y30/00—Nanotechnology for materials or surface science, e.g. nanocomposites
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B82—NANOTECHNOLOGY
    • B82Y—SPECIFIC USES OR APPLICATIONS OF NANOSTRUCTURES; MEASUREMENT OR ANALYSIS OF NANOSTRUCTURES; MANUFACTURE OR TREATMENT OF NANOSTRUCTURES
    • B82Y40/00—Manufacture or treatment of nanostructures
    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
    • C01—INORGANIC CHEMISTRY
    • C01B—NON-METALLIC ELEMENTS; COMPOUNDS THEREOF; METALLOIDS OR COMPOUNDS THEREOF NOT COVERED BY SUBCLASS C01C
    • C01B25/00—Phosphorus; Compounds thereof
    • C01B25/003—Phosphorus
    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
    • C01—INORGANIC CHEMISTRY
    • C01B—NON-METALLIC ELEMENTS; COMPOUNDS THEREOF; METALLOIDS OR COMPOUNDS THEREOF NOT COVERED BY SUBCLASS C01C
    • C01B35/00—Boron; Compounds thereof
    • C01B35/02—Boron; Borides
    • C01B35/023—Boron
    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
    • C01—INORGANIC CHEMISTRY
    • C01P—INDEXING SCHEME RELATING TO STRUCTURAL AND PHYSICAL ASPECTS OF SOLID INORGANIC COMPOUNDS
    • C01P2002/00—Crystal-structural characteristics
    • C01P2002/70—Crystal-structural characteristics defined by measured X-ray, neutron or electron diffraction data
    • C01P2002/72—Crystal-structural characteristics defined by measured X-ray, neutron or electron diffraction data by d-values or two theta-values, e.g. as X-ray diagram
    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
    • C01—INORGANIC CHEMISTRY
    • C01P—INDEXING SCHEME RELATING TO STRUCTURAL AND PHYSICAL ASPECTS OF SOLID INORGANIC COMPOUNDS
    • C01P2002/00—Crystal-structural characteristics
    • C01P2002/80—Crystal-structural characteristics defined by measured data other than those specified in group C01P2002/70
    • C01P2002/82—Crystal-structural characteristics defined by measured data other than those specified in group C01P2002/70 by IR- or Raman-data
    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
    • C01—INORGANIC CHEMISTRY
    • C01P—INDEXING SCHEME RELATING TO STRUCTURAL AND PHYSICAL ASPECTS OF SOLID INORGANIC COMPOUNDS
    • C01P2004/00—Particle morphology
    • C01P2004/01—Particle morphology depicted by an image
    • C01P2004/03—Particle morphology depicted by an image obtained by SEM
    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
    • C01—INORGANIC CHEMISTRY
    • C01P—INDEXING SCHEME RELATING TO STRUCTURAL AND PHYSICAL ASPECTS OF SOLID INORGANIC COMPOUNDS
    • C01P2004/00—Particle morphology
    • C01P2004/01—Particle morphology depicted by an image
    • C01P2004/04—Particle morphology depicted by an image obtained by TEM, STEM, STM or AFM
    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
    • C01—INORGANIC CHEMISTRY
    • C01P—INDEXING SCHEME RELATING TO STRUCTURAL AND PHYSICAL ASPECTS OF SOLID INORGANIC COMPOUNDS
    • C01P2004/00—Particle morphology
    • C01P2004/20—Particle morphology extending in two dimensions, e.g. plate-like
    • C01P2004/24—Nanoplates, i.e. plate-like particles with a thickness from 1-100 nanometer
    • Y—GENERAL TAGGING OF NEW TECHNOLOGICAL DEVELOPMENTS; GENERAL TAGGING OF CROSS-SECTIONAL TECHNOLOGIES SPANNING OVER SEVERAL SECTIONS OF THE IPC; TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER USPC CROSS-REFERENCE ART COLLECTIONS [XRACs] AND DIGESTS
    • Y02—TECHNOLOGIES OR APPLICATIONS FOR MITIGATION OR ADAPTATION AGAINST CLIMATE CHANGE
    • Y02E—REDUCTION OF GREENHOUSE GAS [GHG] EMISSIONS, RELATED TO ENERGY GENERATION, TRANSMISSION OR DISTRIBUTION
    • Y02E60/00—Enabling technologies; Technologies with a potential or indirect contribution to GHG emissions mitigation
    • Y02E60/10—Energy storage using batteries
    • Y—GENERAL TAGGING OF NEW TECHNOLOGICAL DEVELOPMENTS; GENERAL TAGGING OF CROSS-SECTIONAL TECHNOLOGIES SPANNING OVER SEVERAL SECTIONS OF THE IPC; TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER USPC CROSS-REFERENCE ART COLLECTIONS [XRACs] AND DIGESTS
    • Y02—TECHNOLOGIES OR APPLICATIONS FOR MITIGATION OR ADAPTATION AGAINST CLIMATE CHANGE
    • Y02E—REDUCTION OF GREENHOUSE GAS [GHG] EMISSIONS, RELATED TO ENERGY GENERATION, TRANSMISSION OR DISTRIBUTION
    • Y02E60/00—Enabling technologies; Technologies with a potential or indirect contribution to GHG emissions mitigation
    • Y02E60/30—Hydrogen technology
    • Y02E60/50—Fuel cells

Landscapes

  • Chemical & Material Sciences (AREA)
  • Organic Chemistry (AREA)
  • Engineering & Computer Science (AREA)
  • Chemical Kinetics & Catalysis (AREA)
  • General Chemical & Material Sciences (AREA)
  • Materials Engineering (AREA)
  • Electrochemistry (AREA)
  • Crystallography & Structural Chemistry (AREA)
  • Inorganic Chemistry (AREA)
  • Metallurgy (AREA)
  • Composite Materials (AREA)
  • Nanotechnology (AREA)
  • Condensed Matter Physics & Semiconductors (AREA)
  • General Physics & Mathematics (AREA)
  • Physics & Mathematics (AREA)
  • Carbon And Carbon Compounds (AREA)
  • Ceramic Products (AREA)
  • Catalysts (AREA)

Abstract

描述了一种多原子层状材料及其制备和使用方法。该材料可以包含第一2D非碳单元素原子层、第二2D非碳单元素原子层、以及位于第一原子层和第二原子层之间的嵌入物。

Description

多原子层状材料
相关申请的交叉引用
本申请要求2016年7月15日提交的美国临时专利申请第62/362840号的优先权权益，其内容通过引用整体并入。
背景技术
A.技术领域
本发明一般涉及多原子层状材料，其包含具有位于原子层之间的嵌入物的非碳2D单元素原子层(例如，硅烯、锗烯、锡烯、磷烯、铅或硼烯)。这些材料可以用于多种应用(例如，催化、能量储存/转换/运输、热装置、生物分析装置、机械装置、电装置、传感器、执行机构、压电装置、智能织物、柔性装置、照相装置、光学装置、光电装置、显示装置、高性能纳米复合材料等)。
B.相关技术描述
鉴于石墨烯具有高稳定性、相对容易合成和固有的平面结构(即由于包含石墨烯的构成型碳原子的sp2杂化)，自从其于2004年发现以来，石墨烯已成为对各种应用的深入研究的主题。这些应用包括使用石墨烯作为催化剂载体结构(参见M.H.Seo等人，Electrochemistry Communications，第13卷，第2期,(2011))。在这种情况下使用石墨烯的一个潜在问题是在通常进行催化反应的高反应温度下，石墨烯可以作为碳源，其可以沉积在活性催化剂的表面上，从而减少可用的活性表面面积且缩短催化剂寿命。另一个缺点是尽管纯石墨烯是化学惰性的，但基于石墨烯的材料(例如，氧化石墨烯或其他官能化的石墨烯)具有固有的催化性质。鉴于此，在实践中，很少获得纯石墨烯，使用不纯的石墨烯会干扰期望的催化反应。因此，虽然催化金属可以与2D石墨烯层结合，但是所得材料不会完全适合用于催化。石墨烯的另一个相关的缺点是其对氧化的敏感性。因此，在催化反应中氧作为反应物或产物可以氧化表面(即，产生氧化石墨烯)，从而加剧上述氧化石墨烯的催化效用。在这种情况下，即使是纯石墨烯也可能是不合适的，因为它会在反应过程中氧化并自身变为反应性的，从而干扰主要的催化反应。
已经研究了化合物(与单元素相反)材料体系以试图发现其他候选物，其中催化金属可以掺入到材料中。一种结构上类似于石墨烯(即，具有sp2杂化，其表现为平面几何形状)的这种体系是氮化硼(BN)(参见G.Postol等人,Thermochimica Acta，2005，第434卷，第1至2号)。虽然BN是陶瓷，一种理想的用作催化剂载体结构的化合物，但它仍然在通常进行催化反应的温度下易于氧化，这可能与石墨烯的情况一样干扰主要的期望催化反应。其他研究已经报道了纳米颗粒掺入整体材料(与sp2轨道杂化产生的层状结构相反)(参见H.Y.Yuan等人，Angewandte Chemie International,2015，第54卷，第32号；F.Hoshyargar等人，Dalton Transactions，2013，第42卷；K.J.Koski等人，Journal of the AmericanChemical Society，2012，第134卷)。例如，Yuan等人证明了整体质子化钛酸盐水合物结构(H1.07Ti1.73O4H2O)的离子辅助剥离，但报道在剥离时没有纳米结构嵌入。Hoshyargar等人类似地证明了铌硫化钨(Nb1-xWxS2)的离子辅助剥离，然后用金纳米颗粒进行表面官能化；然而，在催化中使用这种材料的主要缺点是引入了硫，其是一种众所周知的催化剂毒物，其可以在催化反应温度下升华或以其它方式扩散到催化剂纳米结构中，从而导致失活。Koski等人证明了整体硒化铋(Bi2Se3)中掺入零价金属原子银(Ag)、金(Au)、钴(Co)、铜(Cu)、铁(Fe)、铟(In)、镍(Ni)和锡(Sn)。该技术存在几个缺点：首先，没有报道剥离，这对于实现高催化剂负载是至关重要的；第二，仅掺入金属原子而非纳米结构，这意味着母体材料的晶体学结构保持完整，从而使得有机物质(即催化反应中的反应物)难以到达催化金属原子(如果有可能的话)；第三，硒本身是许多反应中的催化剂，可以与主要的期望催化反应竞争；第四，硒属于与硫相同的化学族，假定属于同一族的元素表现出相似的化学行为，则硒也可以使以Bi2Se3材料作为支撑结构的金属催化剂中毒。鉴于这些化合物材料体系固有的缺点，对单元素2D纳米片(即石墨烯类似物)的需求持续存在。
已经证明了其中母体基质由硅组成的二维石墨烯类似物(参见H.Okamoto等人，Chemistry—A European Journal，2011，第17卷，第36号)。然而，报道的方法使用硅化钙(CaSi2)或醇盐为末端的有机硅氧烯(Si6H5OR)的原料。在母体基质是CaSi2的情况下，所得的层状材料：(1)是低氧化硅(SiOx，其中x约为1)而不是硅；(2)在离散的2D SiOx片之间没有嵌入的纳米结构；(3)不能够重新堆叠。在其中使用Si6H5OR制备2D基于硅的石墨烯类似物的情况下，表面活性剂(R)的掺入对于实现剥离是必要的，但是这种表面活性剂的存在并不适合用于催化，因为有机表面活性剂会用作碳源，有效地焦化催化剂并缩短其寿命。
虽然存在用于制备高纯度单元素石墨烯类似物的方法，但是这种方法采用气相沉积并且需要其上可以生长该类似物的基底。从商业角度来看，这些方法本质上是不可行的，因为它们昂贵且仅能够有较低的产出量。
发明内容
已经发现了与生产和使用石墨烯类似物相关的上述问题的解决方案。该解决方案在于能够生产多原子层状材料的简炼方法，所述多原子层状材料包括第一2D非碳单元素原子层、第二2D非碳单元素原子层、以及位于第一原子层和第二原子层之间的嵌入物(例如，一种嵌入物的多个或至少两种不同嵌入物的混合物)。非碳单元素原子层可以是硅烯原子层、锗烯原子层、锡烯原子层、磷烯原子层、铅原子层、或硼烯原子层、或其组合。制备这些材料的方法可以包括：获得液体组合物，该液体组合物包含分散在其中的多原子层状的非碳单元素叠层；以及在嵌入物或其前体的存在下剥离液体组合物中的多原子层状的非碳单元素叠层。不希望受理论束缚，认为一旦剥离层或片材(例如，部分或完全剥离)，它们可以由嵌入物或其前体通过经剥离的层或片材的表面与嵌入物或其前体之间的键形成(例如，离子键、共价键、范德华力、氢键或机械键、或其任意组合)来稳定。认为这种键形成有助于防止、避免、或减少经剥离的层或片材的重新堆叠。同样不希望受理论束缚，认为经剥离的片材的表面可以形成sp3杂化的键，从而促进片材与嵌入物或其前体之间的键合。一旦稳定，经剥离的片材或层能够再聚集或重新堆叠(例如，通过在经剥离的片材和/或嵌入物或前体之间的键形成)，以形成本发明的多原子层状材料。如果使用前体材料，则其可以在剥离、再聚集、和/或重新堆叠过程中形成嵌入物。或者，在前体材料存在于重新形成的叠层中的情况下，则可以将其加工成嵌入物，该嵌入物的尺寸可以通过周围的再聚集原子层的物理存在来控制或限制。
所得到的本发明材料可以具有与其他2D材料(例如，石墨烯、过渡金属二硫族化物(TMD)和过渡金属碳化物(MXene))不同的层之间的扭曲结构和/或结合特性。这些扭曲的结构和/或键合特性可以提供若干优点。举例来说，由于嵌入物之间固定的颗粒间间隔，和/或由于嵌入物嵌入于层之间的重新堆叠层的限制，嵌入物可以降低对烧结或聚集的敏感性，这是由于嵌入物对2D层的锚定。该锚定可以固定嵌入物，使得它们基本上或完全保持在固定的位置。这种颗粒间间隔以及原子层之间的受限空间也可以提高用于催化应用的化学反应选择性和转化率。此外，由非碳单元素原子层提供的独特表面化学、表面形态、和物理特性提供了额外的可能优势，包括引入材料中的高密度缺陷(例如，边界、阶跃(step)、畸变晶格)、材料的各向异性特性、和/或它们的整体稳定结构。更进一步地，如果需要，通过在剥离之前、剥离期间、或在堆叠重新形成之后使非碳单元素原子层官能化，可以获得额外的功能。除催化之外，这些属性可以提供本发明材料的各种其他用途(例如，用于化学反应的催化剂、能量存储/转换/传输装置、执行机构、压电装置、传感器、智能织物、柔性装置、电子和光学装置、高性能纳米复合材料等)。在一个优选的实例中，并且如上所述，鉴于嵌入物的隔离和周围单元素层的受限空间可以分别减少烧结并提高选择性和转化参数，材料可以用作催化剂，最终表现为更长的催化剂寿命以及更高的反应和生产效率。
在本发明的一个实施方案中，公开了嵌入型2D非碳单元素多原子层状材料。该材料可以包含多个2D非碳单元素原子层(例如硅烯、锗烯、锡烯、磷烯、硼烯)，其具有多个嵌入的嵌入物或其前体。在一个特定实施方案中，所有层由相同的元素组成，即硅(Si；硅烯)、锗(Ge；锗烯)、锡(Sn；锡烯)、磷(P；磷烯)、铅(Pb)、或硼(B；硼烯)。在单独的实施方案中，包含该材料的层可以由不同的元素组成(即，多层结构的第一层可以是硅烯、锗烯、锡烯、磷烯、铅、或硼烯中的任何一种，并且相同多层结构内的第二层可以来自该相同的清单且不包括构成第一层的材料)。可以掺入本发明材料中的另外的元素层(一个或多于一个)包含石墨烯或石墨烯衍生物层、石墨烷或石墨烷衍生物层、或石墨炔或石墨炔衍生物层、或其组合(例如，本发明材料具有与石墨烯层、石墨烷层、和/或石墨炔层或其氧化物组合的非碳单元素层)。
多原子层状材料可以通过下面详细描述的剥离工艺由母体基质得到。在一个实施方案中，母体基质可以包含在层之间具有嵌入物的多个原子层。这种层可以具有层间间隔，并且通过范德华力、或sp3杂化键合、或两者保持在一起。在一个实施方案中，可以氧化该层状结构(即(剥离后和重新堆叠)最终材料，或从其中提取出2D层的母体)。这种氧化可以是母体基质的固有方面，或者各个层或多组层(即，母体结构的取代物)可以在下面的剥离工艺中变为经氧化的(即化学上地)(本文描述的材料的许多这些特征和方面将在下面更详细地讨论)。在单独的实施方案中，所有这些层都可以是未经氧化的。在又一个实施方案中，可以氧化一个或多于一个层，而其余层中的至少一个是未经氧化的。
在一些实例中，上述嵌入物或其前体因此位于(例如固定于)第一原子层和第二原子层之间，并且一旦重新堆叠，其可以填充每个2D层之间的体积的1％至80％，优选30％至60％。嵌入物可以包括金属、金属氧化物、基于碳的嵌入物、金属有机骨架、沸石咪唑化骨架、共价有机骨架、离子液体、液晶、或包含金属或其氧化物或其合金的原子簇或纳米颗粒、或其任何合适的前体(包括有机金属化合物、溶解的络合物、或溶剂化的离子)、或其任意组合(即，嵌入物和前体)。金属可以是贵金属、过渡金属、或其组合或合金或氧化物。在其他实例中，嵌入物可以包括来自周期表第12至16列、第13至15列、或第14至16列的化合物半导体化合物，取通式MiEj，其中i＝12、13、或14以及j＝15或16。任何这样的类金属或半导体元素或化合物还可以包括合适的掺杂剂。基于碳的嵌入物的非限制性实施例可以包括聚合物、嵌段共聚物、或聚合物刷。在优选的实施方案中，嵌入物是能够催化化学反应的单位点催化剂。嵌入物的尺寸可以为1nm至1000nm，优选1nm至50nm，或更优选1nm至5nm，至少一维，至少二维，或全部三维。嵌入物的形状可以是线状，颗粒状(例如，具有基本上球形的形状)、棒状、四脚体、超分支结构、管状、立方体或不规则形状。嵌入物的总重量百分比可以为1重量％至90重量％。
上述多原子层状材料可以以下列方式生产。首先，母体物质分散在液体中，所述母体物质是包含Si、Ge、Sn、P、或B的多原子层状的非碳叠层，或者，在使用多种这样的物质的情况下，所述母体物质是碳(C)，在这种情况下碳质叠层可以是石墨烯或石墨炔。在一个实施方案中，液体是水(即，由此形成含水制剂)。在单独的实施方案中，液体是基于碳的(即有机)溶剂。该液体还含有上述适当的嵌入物或其前体。在一些实例中，液体还可以含有适于钝化或官能化多原子层状叠层表面的化合物。这种官能化试剂的非限制性实例包括化学基团，例如胺、酰胺、唑、硫化物、磷化物、膦化物、硫化物、硫酸盐、硫醇、氢、重氮、亚硫酰、烷基、氰化物、多肽、溴化物、氧化物、环氧化物、醚、酮、氢氧化物、苄基、二醇、碳二亚胺、或酯、或其任意组合。
第二，剥离多原子层状叠层。优选但非限制性的，用于剥离的方法包括液体组合物的化学剥离、化学机械剥离、拉链剥离、极性或非极性溶剂剥离、基于离子液体的剥离、或超声处理。在一个实施方案中，剥离工艺可以使单层与母体结构部分或完全分离。在单独的实施方案中，剥离可以使多个层与母体结构部分或完全分离。在优选的实例中，在单次剥离事件中剥离不超过十层。在这样的实施方案中，所有经剥离的替代物可以具有相同数量的层，n；或者，一种这样的替代物可以具有多个层，n1，另一种这样的替代物可以具有多个层，n2，并使n1不等于n2。在任何这样的实施方案中，所有经剥离的替代物具有多个层，ni，(其中i表示单独的经剥离的替代物；因此，i的范围为1至经剥离的替代物的总数)，并使n通常小于或等于10。剥离后，替代物可以暴露于嵌入物和/或其前体，和/或暴露于目的是附着或吸附在经剥离的替代物表面上的化合物，和/或暴露于目的是氧化经剥离的替代物表面的化合物，或其任意组合。或者，在剥离过程中，多原子层状叠层可以暴露于嵌入物和/或其前体。
第三，经剥离的多原子层状的非碳单元素叠层可以与位于(优选嵌入的)层之间的嵌入物或其前体再聚集。在一个实施方案中，这些嵌入物或其前体可以包含在叠层的第一2D非碳单元素原子层和第二2D非碳单元素原子层之间。在一些情况下，如果前体材料位于2D层之间，则可以将这种前体材料进一步加工成嵌入物，该嵌入物的非限制性实例包括上述材料和整个说明书中的材料。
上述合成方法的产物可以适用于通过使所述材料与反应物进料接触以催化反应并产生产物进料来催化化学反应。化学反应的非限制性实例包括烃裂化反应、烃的氢化反应、烃的脱氢反应、环境修复反应、环氧化反应、自动催化反应、太阳能采集反应、石油化学转化反应、甲烷的氧化偶联反应、二氧化碳至一氧化碳的转化反应、甲烷至甲醇的反应、甲醇至乙烯的反应、水分解、氢气和氧至过氧化氢的反应、苯至酚的反应、芳基至胺的反应、苯与NH3至Bz-NH2的反应等。上述合成方法的产物可以进一步掺入或用于制品中。非限制性制品包括储能装置、传输或转换装置、执行机构、压电装置、传感器、智能织物、柔性装置、电子装置、光学装置、光电装置、电光装置、等离子体装置、输送装置、聚合物纳米复合材料、MEMS/NEMS装置、逻辑装置、过滤/分离装置、捕获装置、电化学装置、显示装置等。
在本发明的一个方面，描述了20个实施方案。实施方案1是多原子层状材料，其包含第一2D非碳单元素原子层、第二2D非碳单元素原子层、以及位于第一原子层和第二原子层之间的嵌入物。实施方案2是实施方案1的多原子层状材料，其中第一原子层和第二原子层具有层间间隔，并通过范德华力或sp3杂化键合、或两者保持在一起。实施方案3是实施方案1至2中任一项的多原子层状材料，其中第一原子层和第二原子层各自为硅烯原子层、锗烯原子层、锡烯原子层、磷烯原子层、铅原子层、或硼烯原子层。实施方案4是实施方案3的多原子层状材料，其中第一原子层和第二原子层均为：硅烯原子层；锗烯原子层；锡烯原子层；磷烯原子层；铅原子层；或硼烯原子层。实施方案5是实施方案3的多原子层状材料，其中第一原子层和第二原子层是不同的。实施方案6是实施方案3至5中任一项的多原子层状材料，其中第一原子层或第二原子层或两者是官能化的。实施方案7是实施方案1至6中任一项的多原子层状材料，其包含最多十个2D非碳单元素原子层。实施方案8是实施方案1至7中任一项的多原子层状材料，其中嵌入物固定在第一原子层和第二原子层之间。实施方案9是实施方案1至8中任一项的多原子层状材料，其中嵌入物是聚合物、嵌段共聚物、聚合物刷、基于碳的嵌入物、金属有机骨架、沸石咪唑化骨架、共价有机骨架、离子液体、液晶、或包含金属或其氧化物或合金的原子簇或纳米颗粒、或其任意组合。实施方案10是实施方案9的多原子层状材料，其中金属是贵金属、或过渡金属、或其组合或合金或氧化物。实施方案11是实施方案1至10中任一项的多原子层状材料，其中第一原子层和第二原子层是经氧化的。实施方案12是实施方案1至11中任一项的多原子层状材料，其中第一原子层和第二原子层是未经氧化的。实施方案13是实施方案1至12中任一项的多原子层状材料，其中材料还包含石墨烯、石墨炔、或石墨烷的2D原子层。实施方案14是实施方案1的多原子层状材料，其包含在能量存储/转换/传输装置、传感器、柔性传感器、电子装置、光电装置、光学装置、照相装置、热装置、涂料、或催化剂中。实施方案16是制备实施方案1至13中的多原子层状材料的任一种的方法，该方法包括：(a)获得液体组合物，所述液体组合物包含分散在其中的多原子层状非碳单元素叠层；(b)在嵌入物或其前体的存在下，在液体组合物中剥离多原子层状非碳单元素叠层；和(c)使经剥离的多原子层状非碳单元素叠层重新聚集，并将嵌入物或其前体定位在叠层的至少第一2D非碳单元素原子层和第二2D非碳单元素原子层之间，以获得实施方案1至13中任一项的多原子层状材料。实施方案16是实施方案15的方法，其中剥离步骤(b)包括液体组合物的化学剥离、化学机械剥离、拉链剥离、极性或非极性溶剂剥离、基于离子液体的剥离、或超声处理。实施方案17是实施方案15至16中任一项的方法，其中多原子层状的非碳单元素叠层是多个硅烯原子层、多个锗烯原子层、多个锡烯原子层、多个磷烯原子层、多个铅原子层、或多个硼烯原子层、或这些叠层的任意组合。实施方案18是实施方案17的方法，其中获得具有嵌入物或其前体位于第一原子层和第二原子层之间的均质多原子层状材料。实施方案18是实施方案15至17中任一项的方法，其中液体组合物包含第一多原子层状的非碳单元素叠层和与第一叠层不同的第二多原子层状的非碳单元素叠层，并且其中获得具有位于第一原子层和第二原子层之间的嵌入物或其前体的非均质多原子层状材料。实施方案20是实施方案15至19中任一项的方法，其中前体嵌入物位于第一原子层和第二原子层之间，并且其中前体材料被进一步加工成嵌入物。
以下包括本说明书中使用的各种术语和短语的定义。
短语“多原子层状”是指片状的材料、或者是自支撑膜或薄片、或者是基质结合的涂层，其由具有少量(例如，2至约10)的、明确定义的、可数的、堆叠的、延伸的横向尺寸的硅层、锗层、锡层、磷层、铅层或硼层的原子层组成。这种结构中每个原子的原子轨道可以是sp2和/或sp3杂化的。这些材料可以具有石墨烯或基于石墨烯的材料中不存在的性质和/或结构。以下包括这些不同性质和/或结构的非限制性实例：1)这些材料的层间距可以小于石墨烯；2)材料的结构会由于平面中不满足的键而畸变，这允许接近的和/或由弱范德华保持的sp3混合层间或层；3)由于1)和2)，可能无法从溶液剥离技术中获得材料的原始形式；4)材料可以具有比石墨烯或石墨烯样2D体系更长的键长，这可以导致可忽略的或更低的π轨道重叠并且导致层之间的sp3杂化和晶格中的畸变，从而产生不同于2D结构(flatland)状石墨烯或基于石墨烯的材料的基础结构；和/或5)材料可以具有机械变形、固有结构设计、和/或掺杂剂，以赋予或固有地表现出带隙。在一些具体实例中，其中石墨烯、石墨烷、或石墨炔也作为层包含于本发明的材料中，该材料还可以包含一层或多层碳原子层。
术语和短语“固定”、“附着”、“附着于一个位置”、和“固定于一个位置”各自指的是其中将嵌入物或其前体与2D非碳单元素多原子层表面接触的任何方式。化学键合、固定、附着于位置、或固定于位置是指将嵌入物或其前体插入、嵌入、限制、化学吸附、物理吸附、或吸附到本发明材料的任何给定的2D非碳单元素层的表面。
术语“整体”、“原始”或“块状”用于指作为2D单元素原子层从其剥离的母体叠层的材料，并且包含单晶或多晶的材料。
“嵌入物”是指位于两个非碳单元素2D层之间的材料，其中嵌入物与至少一个、优选与两个层接触。嵌入物的非限制性形状可以是线状、颗粒状(例如，具有基本上球形的形状)、棒状、四脚体、超分支结构、管状、立方体或不规则形状。
“接触”是指直接物理接触、机械键合或通过化学键合。化学键合包括离子键、共价键、金属键、范德华力或氢键、机械键或非共价键、或其任意组合。
“剥离”包括例如图2B和图5B中所示的部分剥离以及例如图2A和图4中所示的完全剥离。举例来说，部分剥离可以包括从这些层的叠层部分分离出的非碳单元素2D层(例如，2D层的一部分与叠层直接接触而2D层的另一部不与叠层直接接触)。举例来说，完全剥离可以包括从这些层的叠层完全分离出的非碳单元素2D层(例如，2D层不与叠层的任何部分直接接触)。
术语“约”或“近似”定义为本领域普通技术人员所理解的接近于，并且在一个非限制性实施方案中，术语定义为在10％以内，优选在5％以内，更优选在1％以内，最优选在0.5％以内。
术语“基本上”及其变体定义为本领域普通技术人员所理解的很大程度上但不必完全地，并且在一个非限制性实施方案中，基本上是指在10％以内，在5％以内，在1％以内，或在0.5％以内。
术语“重量％”或“体积％”分别指组分基于包含该组分的材料的总重量或总体积的重量或体积百分比。在一个非限制性实例中，100克材料中的10克组分是10重量％的组分。
当在权利要求和/或说明书中使用时，术语“抑制”或“减少”或“防止”或“避免”包括任何可测量的减少或完全抑制以实现期望的结果。
在说明书和/或权利要求中使用的术语“有效的”是指足以实现期望的、预期的或想要的结果。
当在权利要求或说明书中与术语“包括”结合使用时，要素前无数量词可以表示“一个”，但它也与“一个或多个”、“至少一个”以及“一个或多于一个”的含义一致。
单词“包含”、“具有”、“包括”或“含有”是包容性的或开放式的且不排除其他未列举的元素或方法步骤。
本发明的嵌入的2D非碳单元素的多原子层状材料可以“包含”整个说明书中公开的特定成分、组分、组合物等、“基本上由其组成”或“由其组成”。关于“基本上由……组成”，本发明材料的基本和新颖特征是在第一2D非碳单元素原子层和第二2D非碳单元素原子层之间的嵌入物定位。
根据以下附图、详细说明和实施例，本发明的其他目的、特征和优点将变得明显。然而，应该理解的是，附图、详细说明和实施例虽然表明了本发明的具体实施方案，但是仅以说明的方式给出，并不意味着限制。另外，预期根据该详细描述，本发明的精神和范围内的改变和修改对于本领域技术人员而言将变得明显。在其他实施方案中，来自特定实施方案的特征可以与来自其他实施方案的特征组合。例如，来自一个实施方案的特征可以与来自任何其他实施方案的特征组合。在其他实施方案中，可以将附加特征添加到本文描述的特定实施方案中。
附图说明
通过以下详细描述并参考附图，本发明的优点对于本领域技术人员而言将变得明显。
图1A和图1B是示出在多种嵌入物(图1B)和/或其前体(图1A)的存在下分散在流体介质中的多原子层状的非碳单元素叠层的示意图。
图2A和图2B是在多种嵌入物和/或其前体的存在下分散在流体介质中的完全剥离(图2A)和部分剥离(图2B)的多原子层状的非碳单元素叠层的示意图。
图3是在多种嵌入物和/或其前体的存在下分散在流体介质中的完全剥离的多原子层状的非碳单元素叠层的示意图，其中嵌入物和/或其前体已经固定于或官能化经剥离的单元素单层和/或数层叠层的表面上。
图4是完全剥离的多原子层状的非碳单元素叠层的示意图，其中嵌入物和/或前体固定于表面上并且其层能够重新堆叠，产生嵌入物和/或其前体位于或固定于每个多原子非碳单元素层之间的多层叠层。
图5A是完全剥离的多原子层状的非碳单元素叠层的示意图，其表面已经以图3所示的方式官能化并且其层能够重新堆叠，产生嵌入物和/或其前体位于或固定于一些但非全部的多原子非碳单元素层之间的多层叠层。
图5B是部分剥离的多原子层状的非碳单元素叠层的示意图，其中嵌入物和/或前体位于或固定于多原子非碳单元素层之间。
图6是经剥离的多原子层状的非碳单元素叠层的示意图，其层能够重新堆叠，从而产生前体位于或固定于每层之间的多层叠层。
图7A是制备本发明的经剥离的多原子层状的非碳单元素叠层的方法的示意图。
图7B是制备本发明的经剥离的官能化的多原子层状的非碳单元素叠层的方法的示意图。
图8是可以用于与本发明的多层材料进行化学反应的体系的实施方案的示意图。
图9是KOH处理后CaSi2的扫描电子显微镜(SEM)图像。
图10是在刚刚结束CaSi2的超声处理后沉淀材料的SEM图像。
图11是CaSi2的超声处理后24小时的沉淀物的SEM图像。
图12是用于EDS分析的CaSi2的超声处理后24小时的沉淀物的SEM图像。
图13是KOH处理后的CaSi2的SEM图像。
图14是CaSi2的超声处理后24小时的沉淀物的透射电子显微镜(TEM)图像。
图15描绘了CaSi2的超声处理后24小时的沉淀物的XRD图案。
图16是CaSi2的超声处理后24小时的沉淀物的拉曼光谱。
图17是KOH处理后的CaSi2原料的拉曼光谱。
尽管本发明易于接受各种修改和替换形式，但是其特定实施方案在附图中以示例的方式示出并且可以在本文中详细描述。附图可能不按比例绘制。
具体实施方式
已经发现了克服与制备和使用嵌入型2D非碳单元素多原子层状材料相关的问题的解决方案。该解决方案的前提是能够制备多原子层状材料的方法，该多原子层状材料在2D非碳单元素原子层之间嵌入有嵌入物和/或其前体。非碳单元素原子层可以是硅烯原子层、锗烯原子层、锡烯原子层、磷烯原子层、硼烯原子层、铅原子层、或其组合。不希望受理论束缚，认为在嵌入物和/或其前体的存在下，剥离2D非碳单元素多层叠层使得嵌入物和/或前体能够附着于剥离层的表面上。该附着被认为可以稳定暴露的经剥离表面上的sp3杂化键合轨道，如果该暴露的经剥离表面保持非钝化，则会导致不可逆的自聚集和/或自折叠，使得该材料在目标应用方面会无用。剥离层的再聚集于是可以得到本发明的材料。
在以下部分中参考附图进一步详细讨论了本发明的这些和其他非限制性方面。
A.嵌入型2D非碳单元素多原子层状材料
本发明的嵌入型2D非碳单元素的多原子层状材料包含多原子层状材料，该多原子层状材料包含第一2D非碳单元素原子层、第二2D非碳单元素原子层、和位于第一原子层和第二原子层之间的嵌入物或其前体。
1.单元素原子层
单元素原子层可以从相同材料的整块母体基质中提取出。这些母体基质可以全部或部分包含Si、Ge、Sn、P、Pb、或B，条件是这些层的组成限于最终材料中的单一元素。在一些实施方案中，合适的母体基质材料可以包括整块平板、块、或目标材料的叠层(即，Si、Ge、Sn、P、Pb、或B)。在其他实例中，从中提取出单元素原子层的母体基质可以是多元素化合物，该多元素化合物的非限制性实施例包括SiM、GeM、SnM、PM、和BM，其中M是第1列金属(例如锂(Li)、钠(Na)、钾(K))或第2列金属(例如镁(Mg)、钙(Ca))。在一些实施方案中，母体基质的每个维度可以为1纳米(nm)至10毫米(mm)(107nm)。在优选的实施方案中，每个维度可以为10纳米至1毫米。在更优选的实施方案中，每个维度可以为100纳米至100微米。
在一些实施方案中，可以使用单一母体基质材料。在其他实例中，可以使用多种母体基质材料。例如，Si母体基质和Ge母体基质可以一起使用以产生2D非碳单元素的多原子层状材料，嵌入物和/或其前体全部嵌入其中，其中最终材料具有Si和Ge二者的交替层，其中层交替的频率是均匀的(即Si/Ge/Si/Ge)，或者是可变的(即随机的)。在使用单一母体基质物质的实施方案中，石墨烯、石墨烷和石墨炔被排除在可以得出2D单元素层的清单之中。在使用多种母体基质来制备最终材料的其他实施方案中，石墨烯(以及石墨烷和石墨烯)可以包括在可以提取出2D单元素层的清单之中。换句话说，石墨烯本身不用作2D单元素层的来源，但如果与Si、Ge、Sn、P、Pb、或B母体基质中的一种或多于一种组合时，则石墨烯、TMD、MXene或任何其他2D单元素可以用作2D单元素层的来源。在一些实施方案中，Zintl相用作母体基质。Zintl相可以是第1列或第2列金属和第13至16列金属或类金属的反应产物。Zintl相的非限制性实例包括二硅化钙(CaSi2)、NaTl等。
2.适于嵌入的嵌入物和前体
嵌入物可以包括具有能够嵌入两层2D多原子层状材料之间的尺寸的任何材料。嵌入物的非限制性实例包括金属、金属氧化物、基于碳的嵌入物、金属有机骨架、沸石咪唑化骨架、共价有机骨架、离子液体、液晶、或包含金属或其氧化物或合金的原子簇或纳米颗粒。金属可以是贵金属(例如钯(Pd)、铂(Pt)、金(Au)、铑(Rh)、钌(Ru)、铼(Re)、锇(Os)、或铱(Ir)、或其任意组合或合金)、或过渡金属(例如银(Ag)、铜(Cu)、铁(Fe)、镍(Ni)、锌(Zn)、锰(Mn)、铬(Cr)、钼(Mo)、钨(W)、或锡(Sn)、或其任意组合或氧化物或合金)。在其他实例中，嵌入物可以包括类金属或半导体元素，例如硼(B)、硅(Si)、锗(Ge)、砷(As)、锑(Sb)、碲(Te)、钋(Po)或其衍生物、或其组合。在其他实例中，嵌入物可以包括来自周期表第12至16列、第13至15列、或第14至16列的化合物半导体化合物，采用通式MiEj，其中i＝12、13或14以及j＝15或16。对于M12E16化合物，M12可以是镉(Cd)、锌(Zn)、汞(Hg)、或其任意组合或合金，E16可以是氧(O)、硫(S)、硒(Se)、碲(Te)、或其任意组合。对于M13E15化合物，M13可以是硼(B)、铝(Al)、镓(Ga)、铟(In)、或其任意组合或合金，E15可以是氮(N)、磷(P)、砷(AS)、锑(Sb)、铋(Bi)、或其任意组合。任何这种类金属或半导体元素或化合物还可以包括合适的掺杂剂。金属氧化物的非限制性实例包括二氧化硅(SiO2)、氧化铝(Al2O3)、氧化钛(TiO2)、氧化锆(ZrO2)、氧化锗(GeO2)、氧化锡(SnO2)、氧化镓(Ga2O3)、氧化锌(ZnO)、二氧化铪(HfO2)、三氧化二钇(Y2O3)、三氧化二镧(La2O3)、二氧化铈(CeO2)、或其任意组合或合金。基于碳的嵌入物的非限制性实例包括聚合物、嵌段共聚物、或聚合物刷。在优选的实施方案中，嵌入物可以是能够催化化学反应的催化剂(例如，单位点催化剂)。每种嵌入物的直径可以为1nm至1000nm，优选1nm至50nm，或更优选1nm至5nm。单位点催化剂可以是具有发生关键反应步骤的活性位点的嵌入物。由于嵌入物附着于层之间，可以在材料的结构内隔离嵌入物上的活性位点。
上述嵌入物可以通过适当的前体材料的反应在剥离-官能化/稳定-重新堆叠(“形成过程”，如下详细描述)的任何阶段之前、期间(即原位)或之后形成。这种反应的非限制性实例包括还原、氧化、热分解、或任何其他化学或物理反应。前体可以来自各种类型的化合物和化学体系中，其非限制性实例包括有机金属化合物、溶解的络合物、金属盐、和溶剂化离子、或其任意组合。更具体地，前体材料可以是包含包括预期得到的嵌入物的一种或多于一种元素的一个或多于一个原子的任何合适的化合物，并且采用通式MOyR或MOyX，其中M是目标金属(例如Pt、Au、Rh、Ru、Re、Os、Ir、Ag、Cu、Fe、Ni、Zn、Mn、Cr、Mo、W、Sn、Si、Al、Ti、Zr、Ge、Ga、Zn、Hf、Y、La、Ce)，“y”由M的氧化态固定，R是有机配体，且X是阴离子。在一些实施方案中，0＜y≤3。在其他实施方案中，y可以超过3。在更进一步的实施方案中，y＝0；在这种情况下，化学式MOyR简化为MR(“有机金属化合物”)，MOyX简化为MX(“盐”)。有机配体(R)的非限制性实例包括烷烃、烯烃、炔烃、醇、醛、羧酸、膦、膦酸盐、膦酸、硫酸盐、硫化物、胺等、或其任意组合或混合物。阴离子(X-)的非限制性实例可以包括卤化物(例如氟化物(F-)、氯化物(Cl-)、溴化物(Br-)、碘化物(I-))、带负电的第15列元素(氮(例如氮化物(N3-)、磷化物(P3-)、砷化物(As3-))、基于第16列的元素(例如硫化物(S2-)、硒化物(Se2-)、碲化物(Te2-))、或其多原子化合物(例如硫酸盐、亚硫酸盐、碳酸盐、天然焦、磷酸盐、亚磷酸盐、乙酸盐、乙酰丙酮化物)、或任何其它合适的阴离子基团。
B.嵌入型2D非碳单元素的多原子层状材料的制备
图1至图7是显示制备其中嵌入有嵌入物和/或其前体的2D非碳单元素的多原子层状材料的方法、以及所得的非均质材料的示意图。制备方法可以包括一个或多于一个可以组合使用以制备最终材料的步骤。制备工作的一个顺序是：(1)分散；(2)剥离和稳定化/官能化/改性；和(3)聚集和重新堆叠。
1.分散
参考图1A，一种含有母体基质(11)的分散体(10)。如图1A所示，前体(12)包含在分散体中。如图1B所示，嵌入物(13)可以包含在分散体中并省略其前体。在又一个实施方案中，可以存在嵌入物和其前体两者(未显示)。用于分散的合适介质可以包括任何合适的溶剂(例如，水或任何合适的质子溶剂、非质子溶剂、有机溶剂、极性溶剂、或非极性溶剂)。分散体中母体基质的浓度可以为1×10-5摩尔至5摩尔、或1×10-4摩尔至4摩尔、1×10-3摩尔至3摩尔、1×10-2摩尔至2摩尔、或0.5摩尔至1摩尔。
2.剥离和稳定化/官能化/改性
可以对分散体进行化学或机械处理，由此可以将母体基质剥离成单层或几层2D片材。剥离方法的非限制性实例包括液体组合物的化学剥离、化学机械剥离、拉链剥离、极性或非极性溶剂剥离、基于离子液体的剥离、或超声处理。举例来说，可以使用超声处理(即，化学机械剥离)剥离母体基质或含有母体基质的溶液。母体基质可以在温度为20℃至200℃、或25℃至100℃，混合速率为0rpm至1000rpm或50rpm至500rpm，以及混合或超声功率为0.1W至1000W下超声处理1分钟至24小时或30分钟至12小时。在一些方面，由于超声处理产生的能量，母体基质的温度可以高于超声波浴的温度。
参考图2，示出了分散体(20)，其中母体基质的单层(21)和/或多层叠层(22)完全剥离并且作为离散的自支撑元素分散在分散体溶液中，该分散体溶液也包含前体化合物(12)(在一个实施方案中)和/或嵌入物(在其他实施方案中)。多层剥离叠层中的层数n(23)通常为2≤n≤10，或2、3、4、5、6、7、8、9或10。
在某些方面，在剥离之后，可以通过嵌入物和/或其前体来稳定和/或官能化自支撑2D片材的表面。当通过2D片材和嵌入物/前体化合物之间的物理或化学反应产生两者之间的化学或物理键时，可以发生稳定化/官能化/改性。参考图3，示出了分散体(30)，其中母体基质的经剥离单层(31)和/或多层叠层(32)已经通过其前体(33)和/或嵌入物(34)官能化和/或稳定。该过程的结果是将前体(33)和/或嵌入物(34)固定于2D片材的表面上(分别为31和35)。在单独的实施方案中，嵌入物和/或前体可以在剥离之前稳定和/或官能化母体基质的表面。不希望受理论束缚，这种稳定可以促进剥离过程。可以通过以下方式控制嵌入物和/或其前体覆盖2D片材的表面的程度：(1)剥离和稳定化/官能化/改性的发生顺序；和(2)分散体中嵌入物和/或其前体的浓度。图3示出了用作非限制性实例的非限制性的多种可能性，其包括：通过前体化合物在单个表面上稳定化/官能化/改性的2D单元素的单层2D非碳片材(31)(不希望受理论束缚，这种材料可以通过如下方法制备：其中在剥离之前可以稳定/官能化/改性母体基质的表面，并且其在剥离之后不经历随后的稳定化/官能化/改性；虽然未示出，但是可以生产类似的材料，其中原子层的数量n为1＜n≤10)；在顶部和底部两者的表面上稳定/官能化/改性的2D单元素的单层2D非碳片材(35)(不希望受理论束缚，这种材料可以通过如下方法制备：其中在剥离之前稳定/官能化/改性母体基质，并且其在剥离之后经历随后的稳定化/官能化/改性；或者，这种材料可以通过其中剥离发生在稳定化/官能化/改性之前的工艺来制备)；在顶部和底部表面上官能化的2D单元素的多层2D非碳片材(32)(不希望受理论束缚，这种材料可以通过上述参考(35)的任何方法制备)；以及通过嵌入物在表面上稳定/官能化/改性的2D单元素的单层2D非碳片材(36)(不希望受理论束缚，这种材料可以通过上述参考(31)的任何方法制备)。在具体实施方案中，虽然未示出，但是可以制备类似于(32)和(35)的结构，其中用嵌入物而不是前体、或嵌入物与前体来稳定化/官能化/改性2D片材(不希望受理论束缚，可以通过上述(31)、(32)、或(35)所述的任何方法制备任何这样的材料)，用嵌入物或将嵌入物掺入于旁边来替代其前体。对于具有多个层的材料，边界也可以是稳定的、官能化的、或改性的、或其组合(未示出)。
在本发明的一个特定方面，其中只有前体化合物包含在具有母体基质的分散体中(即，在初始制备时该分散体不含有嵌入物)，前体化合物可以被化学还原或热还原，以使得将目标金属元素(即M，如上所述)被还原至其最低稳定价或零价状态(即M0)。该结果可以通过引入还原剂或向分散体提供热能来实现。在一个实施方案中，可以制得元素M(金属)的单独的零价原子。在一些实施方案中，可以产生原子的纳米簇。不希望受理论束缚，这些原子可以自由地嵌入到母体基质中，以促进剥离和经剥离的2D片材的额外稳定化/官能化/改性。
在本发明的另一个方面，其中只有前体化合物包含在具有母体基质的分散体中(即，在初始制备时该分散体不含有嵌入物)，可以如上所述完成剥离和稳定化/官能化/改性，此时分散体可以经历还原方法(即，通过向分散体引入还原剂或提供热能)或足以制得包含于前体(例如M)内的目标元素或化合物的化学反应。不希望受理论束缚，这种作用的结果可以是产生连接在经剥离的2D片材的表面上的单个原子、原子簇、包含元素M或有机化合物的嵌入物、或其组合。
3.聚集和重新堆叠
通过使分散体沉降可以制备本发明的最终材料。在这样做时，稳定的/官能化的/改性的经剥离的2D片材可以聚集并重新堆叠。在本技术的一个方面，该方法可以形成多层结构，其中嵌入物和/或其前体嵌入于离散的2D层或一组2D层之间。用于重新堆叠或“快速重新堆叠”的驱动力可以包括母体原子在层之间形成sp3杂化状态的趋势。具有可忽略不计的π轨道重叠或无π轨道重叠的较长的键长可以驱动晶格畸变，因此需要重新堆叠。控制重新堆叠速率的一种方法可以是使用原始粉末。参考图4，示出了最终材料(40)的示意图，其中嵌入物(41)嵌入在重新堆叠的单元素原子层(42)的完全剥离的各个层之间。在一些情况下，仅一部分嵌入物位于或嵌入于层之间(参见图5B)。当前体材料代替嵌入物(41)或当嵌入物和前体两者共同嵌入在重新堆叠的单元素原子层(42)的各个层之间时，考虑类似的材料体系。如图所示，嵌入物的尺寸可以变化，但是应该理解，嵌入物或前体材料的尺寸和形状可以是任何尺寸或形状，只要嵌入物或前体材料的一部分可以嵌入经剥离的层之间即可。
在本发明的另一个方面，参考图5A和图5B，上述重新堆叠的方法可以包括具有多个原子层n(具有1＜n≤10)的经剥离的2D片材，在这种情况下，最终材料(50)包含嵌入于以下的嵌入物(41)：(a)重新堆叠的单元素原子层(42)的各个层之间；和/或(b)在由没有嵌入前体化合物的n层(52)隔开的各个层之间。在优选的方面，最终材料的任何区域都不包含多于20个连续的没有嵌入前体化合物的单原子层。如图5B所示，层被部分剥离并且嵌入物(41)的一部分附着于两个原子层(42)之间，而其他层具有固定于两个原子层(42)之间的整个嵌入物(41)。类似的材料体系包括取代嵌入物(41)的前体化合物，并且是当嵌入物和其前体两者共同嵌入至重新堆叠的单元素原子层(42)的各个层之间时。而且，应该理解，在层之间的分离层(52)是部分经剥离或未经剥离的层(例如，图5B中描绘的层)。
在又一方面，参考图6，在顶部和底部表面上用嵌入物稳定/官能化/改性的经剥离的单元素2D片材(参见例如图3的片材(35))可以重新堆叠形成具有嵌入物(12)的最终材料(60)，该嵌入物嵌入重新堆叠的单元素原子层(42)的各个层和在层的外表面上的嵌入型材料(61)之间。在类似的体系中，嵌入物和其前体都可以共嵌入于重新堆叠的单元素原子层(42)的各个层之间。类似于刚刚描述的那些中的每一个的其他体系，其中嵌入的双层(包含嵌入物和/或其前体)被没有嵌入前体化合物的单独的层n分开。在优选的方面，最终材料的任何区域都不包含多于20个连续的没有嵌入嵌入物或前体化合物的单原子层。
4.剥离、官能化和重新堆叠
在一些实施方案中，当使用常规剥离方法(例如硅烯)不能分离单层时，官能化粉末和/或官能化位点可以用于抑制重新堆叠和/或降低重新堆叠速率。举例来说，母体基质(例如，官能化的硅烯结构)可以用另一种化合物或金属(例如，Ag或嵌入物)改性，以产生嵌入型多原子层状材料。参考图7A，示出了一锅法剥离、官能化和重新堆叠的示意图。在方法70中，可以使用整个说明书和实施例部分中描述的方法将母体基质(例如CaSi2)(71)在液相(72)中化学剥离成单层(73)。在该方法中，可以将嵌入物(74)(例如银盐)和还原剂(未显示)引入溶液中。在嵌入物(即Ag)成核之后，可以停止剥离过程，并且可以允许母体材料(例如，硅质)的2D层再聚集或重新堆叠以形成剥离的多原子层状的非碳单元素叠层(75)(例如银-硅烯)。在一些实施方案中，成核嵌入物(例如Ag)的尺寸可以是亚纳米，然后可以通过在2D层(例如硅烯)中形成sp3杂化或层间键合来辅助重新堆叠的过程。在其他实施方案中，成核嵌入物可以是直至5nm的亚纳米，于是成核嵌入物本身可以提供满足重新堆叠的2D层的sp3杂化需要的位点。可以从经剥离的多原子层状的非碳单元素叠层(75)中除去液体，并且可以将叠层(75)暴露于氧源，以将叠层转换成2D氧化物载体(例如氧化硅烯)。2D载体的氧化可以导致其与嵌入物的独特相互作用，赋予高热稳定性，并增加2D载体的寿命。2D层和嵌入物之间的相互作用可以导致嵌入物(例如，Ag簇)被有力的束缚，并且同时在堆叠层之间提供原子级平坦表面，这可以有利于在催化反应过程中物质的镜面传输(例如，反应物扩散到层中以及产物扩散出层)。当使用催化金属时，该方法可以产生对于特定反应具有高转化率和选择性的催化剂。特定催化反应可以取决于簇和2D层的材料选择。
参考图7B，示出了随后嵌入嵌入物的单层的官能化。如图7A中所示出的，母体材料71可以剥离成单层。可以将官能化试剂(76)添加到溶液中，并且可以使单层(73)与官能化试剂反应以产生官能化层(78)。举例来说，经剥离的硅烯层可以进行氢化硅烷化反应、氨基化反应、或酰化(例如苯基化)反应以产生硅酸盐烃、硅烯胺(Si-Si-N键)、和苯基化硅烯(Si-Si-苯基)。可以在层的重新堆叠期间将嵌入物(74)添加到溶液中，并嵌入于嵌入层和/或官能团之间以形成嵌入型多原子层状材料(78)。虽然图7A和图7B以逐步的方式示出，但该过程可以通过在同一步骤中将嵌入物和官能化试剂添加到溶液中而在单个步骤中进行。
在一些实例中，一旦重新堆叠，上述嵌入物或其前体附着于第一原子层和第二原子层之间，并且可以填充每个2D层之间体积的1％至80％，优选30％至60％。嵌入物或其前体的总重量百分比可以为10重量％至90重量％。
在一些实施方案中，整个说明书中描述的材料是合适的并且当如上所述制备时易于使用的。在其他实施方案中，本发明的材料可以还负载到载体材料或载体上(例如用于催化)。附着有本发明催化材料的这种载体材料或载体可以是多孔的并且具有高表面积。在一些实施方案中，载体包括非碳氧化物、α氧化铝、β氧化铝或θ氧化铝(Al2O3)、活化的Al2O3、二氧化硅(SiO2)，二氧化钛(TiO2)、氧化镁(MgO)、氧化钙(CaO)、氧化锶(SrO)、氧化锆(ZrO2)、氧化锌(ZnO)、锂铝氧化物(LiAlO2)、氧化镁铝(MgAlO4)、锰的氧化物(MnO、MnO2、Mn2O4)、氧化镧(La2O3)、活性炭、硅胶、沸石、活化黏土、碳化硅(SiC)、硅藻土、氧化镁、硅铝酸盐、铝酸钙、碳纳米管(CNT)、或氮化硼纳米管(BNNT)、或其组合。
C.嵌入型2D非碳单元素的多原子层状材料的应用
1.用于化学反应的催化剂
在特定情况下，本发明的材料可以用作适用于任何数量的多种化学反应的催化材料。可以由本发明的材料催化的潜在合适反应的非详尽清单包括烃裂化反应、烃的氢化反应、烃的脱氢反应、环境修复反应、环氧化反应、自动催化反应、太阳能采集反应、石油化学转化反应、甲烷的氧化偶联反应、二氧化碳至一氧化碳的转化反应、甲烷至甲醇的反应、甲醇至乙烯的反应、水分解、氢气和氧气至过氧化氢的反应、苯至酚的反应、芳基至胺的反应、苯与NH3至Bz-NH2的反应等。举例来说，具有嵌入的Pt/Sn簇的2D硅烯氧化物可以用于脱氢反应。具有嵌入的Ag簇的2D硅烯氧化物或锗烯氧化物可以用于环氧化反应。具有嵌入的CrOx簇的2D硅烯氧化物可以用于脱氢反应。具有嵌入的Cu簇的2D硅烯氧化物可以用于CO2转化。类似地，合金纳米颗粒或簇、贵金属组体系、或其他2D材料片材或量子点可以嵌入或位于2D层之间以实现期望的功能。
参考图8，示出了用于化学反应的体系(80)的示意图。体系(80)可以包括连续流动反应器(81)和本发明的多原子层状材料(82)。包含化学反应物的反应物流可以经由进料入口(83)进入连续流动反应器(81)。在一个实施方案中，可以向连续流动反应器(81)提供反应物，使得反应物在接触催化材料(82)之前被加热至环境温度(即室温)和反应温度之间的温度。在另一个实施方案中，将催化材料(82)和反应物进料各自加热至大致相同的温度。在一些实例中，催化材料(82)可以在连续流动反应器(81)中分层。在其他实例中，可以在流化床构造中与反应混合物接触时将催化材料进料至反应器中。在这样的实施方案中，可以在进入反应器(81)之前将催化材料与反应物流预混合，或者可以通过第二入口流(84)引入催化材料并随后将其立即与反应物进料接触。反应物混合物与催化材料(82)的接触可以产生产物流。产物流可以经由产物出口(85)离开连续流动反应器(81)。可以使用各种已知的气/液分离技术例如蒸馏、吸收、膜等进一步加工所得产物流，并将其从任何副产物中分离出来，以制备纯化的产物流。在一些情况下，于是可以将产物用于额外的下游反应方案中以产生额外的产物。
2.其他应用
上述的嵌入型2D非碳单元素的多原子层状材料(具有或不具有支撑结构)也可以包括在制品中，将其制成片材、膜，或将其掺入膜中。片材或膜可以具有10nm至500μm的厚度。制品可以是能量存储/转换/传输装置、执行机构、压电装置、传感器、智能织物、柔性装置、电子装置、光学装置、光电装置、电光装置、等离子体装置、递送装置、聚合物纳米复合材料、驱动装置、MEMS/NEMS装置、逻辑装置、过滤/分离装置、捕获装置、电化学装置、显示装置等。其他制品包括弯曲表面、柔性表面、可变形表面等。这种制品的非限制性实例包括虚拟现实装置、增强现实装置、需要柔性的固定装置如可调节安装的无线耳机和/或耳塞、具有曲率的通信头盔、医疗批次、柔性身份证、柔性体育用品、包装材料和/或应用(其中可弯曲能量来源的存在简化了最终产品设计、工程和/或批量生产)。
实施例
将通过具体实施例更详细地描述本发明。提供以下实施例仅用于说明目的，并不旨在以任何方式限制本发明。本领域技术人员将容易地认识到可以改变或修改各种非关键参数以产生基本相同的结果。
材料与仪器
硅化钙(CaSi2)和氢氧化钾(KOH)从Fisher ChemicalTM(Fisher ScientificInternational,Inc.,U.S.A.)获得。氯金酸(HAuCl4)和硼氢化钠(NaBH4)从Sigma-Aldrich(U.S.A.)获得。去离子水(DI)从Thermo ScientificTM BarnsteadTM DI water system-Smart2PureTM(Fisher Scientific International,Inc.,U.S.A.)获得。
使用OptimaTM 8300(Perkin Elmer,U.S.A.)获得电感耦合等离子体(ICP)数据。使用Rigaku SmartLab X射线衍射仪(Rigaku Americas Corporation,U.S.A.)获得X射线衍射(XRD)光谱。使用Renishaw inViaTM拉曼显微镜(Renishaw,U.S.A.)获得拉曼光谱。使用JSM-7800F(Renishaw,U.S.A.)获得扫描电子显微镜(SEM)和能量分散光谱(EDS)数据。使用JEM-2010F(JEOL,U.S.A.)获得透射电子显微镜(TEM)数据。
实施例1
(制造本发明的Au嵌入型硅烯多原子层状材料的方法)
在受控气氛(手套箱)中，将CaSi2(1×10-3M)加入到KOH(20ml，0.01M)溶液中并搅拌1至3小时。向一部分(2mL)CaSi2/KOH溶液中加入异丙基/盐酸(0.6gm)并搅拌5至60分钟。在添加和搅拌期间，观察气体的演变。假设气体为H2。将酸化的溶液超声处理15至30分钟，然后在超声处理下加入HAuCl4(2ml的3mg至4mg HAuCl4在40ml水溶液中)。额外超声处理5至10分钟后，加入NaBH4(1ml的4.5mg NaBH4在2ml水溶液中)，继续超声处理5至15分钟，然后使溶液静置>24小时，使层状材料发生重新堆叠。所得溶液具有顶部透明层和沉淀物。对顶部透明溶液层和沉淀物进行表征。根据表征，确定是嵌入金的硅烯、硅、和原料的混合物。
实施例2
(本发明的Au嵌入型硅烯多原子层状材料的表征)
使用SEM、TEM、ICP、EDS、XRD和拉曼方法进行反应中间体和产物的表征。
加入KOH后。加入KOH后，对CaSi2进行SEM分析。图9是KOH处理后的块状CaSi2的SEM图像。根据SEM，确定CaSi2是未分离的(即，以块状形式)。
超声处理刚刚结束后。在超声处理结束后立即对溶液取样。图10是在超声处理刚刚结束后沉淀材料的SEM图像。比较图10与图9，确定块状CaSi2已经分离并开始重新堆叠，因为硅烯(2-D硅)在层中嵌入有金，如图10中存在的层。金嵌入物是浅色斑点(如箭头所示)。
超声处理后1天。图11是超声处理CaSi2后24小时的沉淀物的SEM图像。根据图像，确定金纳米颗粒嵌入(箭头)在重新堆叠的硅烯材料中。
1.透明层和Au/CaSi2沉淀的ICP分析。
通过ICP分析透明液体顶层和沉淀物两者的Si、Ca和Au。表1列出了每层中的Si、Ca和Au的ppm。比较来自顶层和来自沉淀层的数据，确定硅烯或硅纳米结构与钙的比率在溶液中比在沉淀中高约10倍。不希望受理论束缚，认为较重的硅化物(硅)材料沉淀下来，而透明顶层则包含更多的2D单元素结构(硅烯材料)。虽然顶部溶液看起来是透明的，但根据数据确定其包含具有嵌入物的重新堆叠的单元素。
表1
Figure BDA0001942884240000241
2.EDS分析
图12是超声处理CaSi2后24小时的沉淀物的SEM图像，用于EDS分析。EDS分析用于图12的SEM图像中所示的片材，同时对方框框出的区域进行评估。表2列出了薄片中存在的元素的重量百分比和原子百分比。根据数据，确定与Ca含量相比薄片具有高硅含量，这表明重新堆叠的薄片主要是硅(Si)，然而还检测到具有嵌入Au的重新堆叠的硅。Au信号很低，因为大部分Au嵌入在重新堆叠的层内。
表2
元素 重量％ 原子％
O K 10.87 18.70
|Si K 77.23 75.70
Ca K 2.40 1.44
Cu L 9.50 4.12
Au M 0.29 0.04
总量 100.00 100.00
进行对照CaSi2原料(未剥离)的EDS。图13是使用被分析的盒内用KOH处理CaSi2材料后的CaSi2材料的SEM图像。表3列出了检测的元素的重量百分比和原子百分比。根据数据，确定与Ca相比对照CaSi2具有约两倍的Si含量(化学计量，Ca：Si＝1：2)。而超声处理的样品显示出经剥离的和重新堆叠的硅烯，该硅烯在体系中具有显著高的Si含量。由于有其上分散有薄片的基础栅格基质，存在Cu、Al和O。由于未洗去KOH，故存在K。
表3
元素 重量％ 原子％
C K 10.28 18.87
O K 27.56 37.99
Al K 0.36 0.29
Si K 38.44 30.19
K K 0.01 0.05
Ca K 22.30 12.27
Cu L 0.97 0.34
总量 100.00 100
3.TEM分析
图14是超声处理CaSi2后24小时的沉淀物的TEM图像。根据TEM图像，确定存在嵌入有金纳米颗粒的硅烯层。层的层间间隔为0.25nm至0.3nm，这对于硅烯层(拉紧的或未拉紧的)是一致的。观察到存在2层至3层或多层。
4.XRD分析
图15示出了超声处理CaSi2后24小时的沉淀物的XRD图像。29.18、44.22和64.94处的峰值归属于金(111、200、220相)。28.46的峰值归属于Si。其余的峰归属于硅化钙。存在痕量的SiO2。
5.拉曼分析
图16是经超声的沉淀物的拉曼光谱。图17是KOH处理后的CaSi2原料的拉曼光谱。观察到在130.8、208、347.6、385.9、415.3、519.3cm-1处的主峰。519.3处的峰归属于多层硅烯，因为已知多层硅烯具有516和525之间的拉曼位移。520cm-1和570cm-1之间的肩峰部归属于金纳米颗粒。起始CaSi2材料在129.1、198.8、334.3、381.1、407.3、511.488cm-1处具有峰。根据数据，确定沉淀物中存在一些CaSi2材原料。然而，大部分沉淀物是重新堆叠的嵌入有金的硅烯材料。
根据数据和图像的分析，确定使用本发明的方法制备了具有第一2D非碳单元素原子层、第二2D非碳单元素原子层、和位于第一原子层和第二原子层之间的嵌入物的多层材料。

Claims (30)

1.一种多原子层状材料，其包含第一2D非碳单元素原子层、第二2D非碳单元素原子层、以及位于第一原子层和第二原子层之间的嵌入物，
其中所述第一原子层和所述第二原子层具有层间间隔，并通过范德华力或sp3杂化键合或两者保持在一起；
其中所述第一原子层和所述第二原子层各自为：硅烯原子层；锗烯原子层；锡烯原子层；磷烯原子层；铅原子层；或硼烯原子层；
其中所述嵌入物附着在所述第一原子层和所述第二原子层之间；和
其中所述嵌入物是聚合物、基于碳的嵌入物、共价有机骨架、离子液体、液晶或包含金属或其氧化物或合金的原子簇或纳米颗粒或其任意组合，其中金属选自钯(Pd)、铂(Pt)、金(Au)、铑(Rh)、钌(Ru)、铼(Re)、锇(Os)、铱(Ir)、银(Ag)、铜(Cu)、铁(Fe)、镍(Ni)、锌(Zn)、锰(Mn)、铬(Cr)、钼(Mo)、钨(W)、锡(Sn)，或其组合，或嵌入物包含硼(B)、锗(Ge)、砷(As)、锑(Sb)、碲(Te)、钋(Po)或其组合。
2.根据权利要求1所述的多原子层状材料，其中所述第一原子层和所述第二原子层各自为锗烯原子层、锡烯原子层、磷烯原子层、铅原子层或硼烯原子层。
3.根据权利要求1所述的多原子层状材料，其中所述第一原子层和所述第二原子层均为硅烯原子层，并且嵌入物包含金(Au)。
4.根据权利要求2所述的多原子层状材料，其中所述第一原子层和所述第二原子层是不同的。
5.根据权利要求2所述的多原子层状材料，其中所述第一原子层或所述第二原子层或两个层是官能化的。
6.根据权利要求1所述的多原子层状材料，其包含最多十个2D非碳单元素原子层。
7.根据权利要求1所述的多原子层状材料，其中所述嵌入物是包含金属或其氧化物或合金的原子簇或纳米颗粒，其中金属选自钯(Pd)、铂(Pt)、金(Au)、铑(Rh)、钌(Ru)、铼(Re)、锇(Os)、铱(Ir)、银(Ag)、铜(Cu)、铁(Fe)、镍(Ni)、锌(Zn)、锰(Mn)、铬(Cr)、钼(Mo)、钨(W)、锡(Sn)，或其组合。
8.根据权利要求1所述的多原子层状材料，其中所述嵌入物是聚合物、基于碳的嵌入物、共价有机骨架、离子液体、液晶或包含金属或其氧化物或合金的原子簇或纳米颗粒，其中金属选自钯(Pd)、铂(Pt)、金(Au)、铑(Rh)、钌(Ru)、铼(Re)、锇(Os)、铱(Ir)，或其任意组合。
9.根据权利要求1所述的多原子层状材料，其中所述第一原子层和所述第二原子层是经氧化的。
10.根据权利要求1所述的多原子层状材料，其中所述第一原子层和所述第二原子层是未经氧化的。
11.根据权利要求1或8所述的多原子层状材料，其中聚合物是嵌段共聚物。
12.根据权利要求1或8所述的多原子层状材料，其中聚合物是聚合物刷。
13.根据权利要求1或8所述的多原子层状材料，其中共价有机骨架是金属有机骨架。
14.根据权利要求1或8所述的多原子层状材料，其中共价有机骨架是沸石咪唑化骨架。
15.一种包含根据权利要求1所述的多原子层状材料的装置，其中所述装置是能量存储/转换/传输装置。
16.一种包含根据权利要求1所述的多原子层状材料的装置，其中所述装置是传感器。
17.根据权利要求16所述的装置，其中传感器为柔性传感器。
18.一种包含根据权利要求1所述的多原子层状材料的装置，其中所述装置是电子装置。
19.一种包含根据权利要求1所述的多原子层状材料的装置，其中所述装置是光电装置。
20.一种包含根据权利要求1所述的多原子层状材料的装置，其中所述装置是光学装置。
21.一种包含根据权利要求1所述的多原子层状材料的装置，其中所述装置是照相装置。
22.一种包含根据权利要求1所述的多原子层状材料的装置，其中所述装置是热装置。
23.一种包含根据权利要求1所述的多原子层状材料的涂覆材料或催化剂。
24.一种制备权利要求1所述的多原子层状材料的方法，所述方法包括：
a) 获得液体组合物，所述液体组合物包含分散在其中的多原子层状的非碳单元素叠层；
b) 在嵌入物或其前体的存在下，在所述液体组合物中剥离所述多原子层状的非碳单元素叠层；和
c) 使经剥离的多原子层状的非碳单元素叠层重新聚集，并将所述嵌入物或其前体定位在叠层的至少第一2D非碳单元素原子层和第二2D非碳单元素原子层之间，以获得权利要求1所述的多原子层状材料。
25.根据权利要求24所述的方法，其中所述剥离步骤(b)包括液体组合物的化学剥离、拉链剥离、极性或非极性溶剂剥离或超声处理。
26.根据权利要求25所述的方法，其中所述化学剥离是化学机械剥离。
27.根据权利要求25所述的方法，其中所述化学剥离是基于离子液体的剥离。
28.根据权利要求24所述的方法，其中所述多原子层状的非碳单元素叠层是多个硅烯原子层、多个锗烯原子层、多个锡烯原子层、多个磷烯原子层、多个铅原子层或多个硼烯原子层或这些叠层的任意组合。
29.根据权利要求28所述的方法，其中获得所述嵌入物或其前体位于第一原子层和第二原子层之间的均相多原子层状材料。
30.根据权利要求24所述的方法，其中：
(a) 所述液体组合物包含第一多原子层状的非碳单元素叠层和与第一叠层不同的第二多原子层状的非碳单元素叠层，并且其中获得所述嵌入物或其前体位于第一原子层和第二原子层之间的非均相多原子层状材料；和/或
(b) 其中前体嵌入物位于第一原子层和第二原子层之间，并且其中前体材料被进一步加工成嵌入物。
CN201780043366.9A 2016-07-15 2017-06-22 多原子层状材料 Active CN109476491B (zh)

Applications Claiming Priority (3)

Application Number Priority Date Filing Date Title
US201662362840P 2016-07-15 2016-07-15
US62/362,840 2016-07-15
PCT/IB2017/053739 WO2018011651A1 (en) 2016-07-15 2017-06-22 Multi-atomic layered materials

Publications (2)

Publication Number Publication Date
CN109476491A CN109476491A (zh) 2019-03-15
CN109476491B true CN109476491B (zh) 2022-11-11

Family

ID=60951981

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
CN201780043366.9A Active CN109476491B (zh) 2016-07-15 2017-06-22 多原子层状材料

Country Status (4)

Country Link
US (1) US11046585B2 (zh)
EP (1) EP3484818B1 (zh)
CN (1) CN109476491B (zh)
WO (1) WO2018011651A1 (zh)

Families Citing this family (19)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
WO2021007004A2 (en) * 2019-06-26 2021-01-14 Northwestern University Borophene-based two-dimensional heterostructures, fabricating methods and applications of same
US11795059B2 (en) 2018-02-07 2023-10-24 Tokyo Institute Of Technology Boron atomic layer sheet and laminated sheet, method for manufacturing the same, and liquid crystals
KR102123753B1 (ko) * 2019-01-02 2020-06-17 공주대학교 산학협력단 실리신 양자점 제조방법 및 이에 의해 제조된 실리신 양자점
CN110112379A (zh) * 2019-04-03 2019-08-09 江苏城工建设科技有限公司 一种锂离子电池负极材料及其制备方法
US11351522B2 (en) 2019-06-11 2022-06-07 Arizona Board Of Regents On Behalf Of Arizona State University Highly active metal oxide supported atomically dispersed platinum group metal catalysts
US11766663B2 (en) * 2019-07-19 2023-09-26 Arizona Board Of Regents On Behalf Of Arizona State University Functional nanoscale metal oxides for stable metal single atom and cluster catalysts
CN110668436B (zh) * 2019-11-04 2021-06-29 北京科技大学 一种超薄纳米级石墨炔薄膜的制备方法
CN112973655B (zh) * 2019-12-02 2022-07-19 中国科学院大连化学物理研究所 一种离子交换色谱固定相及其制备和应用
CN111389384B (zh) * 2020-02-17 2022-05-20 广西大学 一种憎水性石墨炔复合含铁mof吸附剂及其制备方法
CN113130904A (zh) * 2020-03-11 2021-07-16 宁德新能源科技有限公司 正极材料及使用其的电化学装置和电子装置
CN112588115B (zh) * 2020-10-30 2022-02-08 河海大学 一种纺锤状MXene-碳纳米管二维膜及其制备方法与应用
CN114907710B (zh) * 2021-02-08 2023-06-09 深圳贝特瑞钠电新材料科技有限公司 一种防锈颜料及其制备方法和涂料及其应用
CN113023709B (zh) * 2021-03-11 2022-09-09 广西大学 基于金属有机骨架MOFs孔内寡层石墨炔的制备方法
US20240150185A1 (en) * 2021-03-30 2024-05-09 Northwestern University Multi-layer borophene and method of synthesizing same
US12116279B2 (en) * 2021-04-23 2024-10-15 Northwestern University Self-assembled borophene/graphene nanoribbon mixed-dimensional heterostructures and method of synthesizing same
KR20240134937A (ko) * 2022-01-06 2024-09-10 파우-스토어 인크. 에너지 저장 디바이스 및 그 제조 방법
CN114873581B (zh) * 2022-07-07 2022-09-27 北京大学 一种精准制备单层或少层石墨炔的方法
CN117160455B (zh) * 2023-06-21 2024-05-10 中国科学院上海硅酸盐研究所 一种p-d轨道杂化增强类芬顿的无机纳米材料及其制备方法和应用
CN117401684B (zh) * 2023-10-17 2024-06-18 同济大学 一种硅化钙纳米片材料及其制备方法和应用

Citations (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JP2016097599A (ja) * 2014-11-21 2016-05-30 富士通株式会社 層状物質の積層構造及びその製造方法

Family Cites Families (5)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US9017867B2 (en) 2009-08-10 2015-04-28 Battelle Memorial Institute Self assembled multi-layer nanocomposite of graphene and metal oxide materials
US9356178B2 (en) * 2013-10-18 2016-05-31 University Of Central Florida Research Foundation, Inc. Plasmonic phototransistor
EP3107862B1 (en) 2014-02-17 2023-09-27 UCL Business Ltd Method for producing dispersions of nanosheets
US20150364754A1 (en) * 2014-05-22 2015-12-17 Paideia LLC Silicene nanocomposite anode for lithium ion battery
KR102245295B1 (ko) * 2014-10-08 2021-04-27 삼성전자주식회사 실리신 물질층 및 이를 포함하는 전자 소자

Patent Citations (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JP2016097599A (ja) * 2014-11-21 2016-05-30 富士通株式会社 層状物質の積層構造及びその製造方法

Also Published As

Publication number Publication date
WO2018011651A1 (en) 2018-01-18
EP3484818A1 (en) 2019-05-22
CN109476491A (zh) 2019-03-15
US20190292061A1 (en) 2019-09-26
EP3484818B1 (en) 2021-05-05
US11046585B2 (en) 2021-06-29
EP3484818A4 (en) 2020-03-18

Similar Documents

Publication Publication Date Title
CN109476491B (zh) 多原子层状材料
Li et al. Metallic catalysts for structure-controlled growth of single-walled carbon nanotubes
Dou et al. Atomically thin non-layered nanomaterials for energy storage and conversion
Galstyan et al. Progress towards chemical gas sensors: Nanowires and 2D semiconductors
US9536735B2 (en) Method for preparing graphene
JP5860957B2 (ja) グラフェンを製造する方法
Yu et al. Synthesis of high quality two-dimensional materials via chemical vapor deposition
JP2006278312A (ja) 固／液界面に形成された吸着ミセル膜を反応場として形成される単結晶質の貴金属超薄膜ナノ粒子及びその製造方法
Dasireddy et al. Production of syngas by CO2 reduction through Reverse Water–Gas Shift (RWGS) over catalytically-active molybdenum-based carbide, nitride and composite nanowires
Yun et al. Recent progress on phase engineering of nanomaterials
WO2014070116A1 (en) Encapsulated Nanoparticles
Shen et al. An unsaturated metal site-promoted approach to construct strongly coupled noble metal/HNb 3 O 8 nanosheets for efficient thermo/photo-catalytic reduction
WO2010143344A1 (ja) 金属ナノシートの製造方法、および金属ナノシート
WO2014008756A1 (zh) 用于制备手性选择性和导电性选择性单壁碳纳米管的催化剂及其制备方法和应用
Guo Property of zinc oxide (ZnO) nanostructures potential for biomedical system and its common growth mechanism
Yu et al. Synthesis of Two‐dimensional Metallic Nanosheets: From Elemental Metals to Chemically Complex Alloys
Zhang et al. Effect of boron nitride overlayers on Co@ BNNSs/BN-catalyzed aqueous phase selective hydrogenation of cinnamaldehyde
Chopade et al. Controlled synthesis of monodispersed ZnSe microspheres for enhanced photo-catalytic application and its corroboration using density functional theory
Luo et al. Design and fabrication of highly reducible PtCo particles supported on graphene-coated ZnO
Zhang et al. Atomically dispersed and oxygen deficient CuO clusters as an extremely efficient heterogeneous catalyst
Aparajita et al. Synthesis methods of hexagonal boron nitride
Singh Synthesis of two-dimensional metal, metal oxide and metal hydroxide nanomaterials for biosensing
Wang et al. Synthesis and electrocatalytic applications of hybrid nanomaterials containing low-dimensional metals
Radadiya Graphene preparation method
Fu Synthesis of two-dimensional material based nanocomposites as advanced catalysts

Legal Events

Date Code Title Description
PB01 Publication
PB01 Publication
SE01 Entry into force of request for substantive examination
SE01 Entry into force of request for substantive examination
GR01 Patent grant
GR01 Patent grant