[发明专利]一种二维金属氧化物纳米片及其制备方法

说明书

本发明涉及一种二维金属氧化物纳米片及其制备方法。该方法包括如下步骤：将层状石墨烯框架材料颗粒浸入金属盐溶液中并过滤得到包含金属盐溶液的湿态层状石墨烯框架材料颗粒；所述湿态层状石墨烯框架材料颗粒在沉淀剂溶液中沉淀并过滤干燥获得层状石墨烯框架材料/金属氧化物前驱体复合物；所述层状石墨烯框架材料/金属氧化物前驱体复合物经空气中煅烧得到二维金属氧化物纳米片。与现有技术相比，本发明具有低成本、高普适性、高效率、高可控性和可宏量制备的特点。本发明制备的二维金属氧化物纳米片的平均厚度为0.5‑30纳米，宽度为0.1‑1000微米，比表面积为20‑500平方米/克，可用于能源存储与转换、化学催化、环境保护、生物医学等多个领域。

技术领域

本发明属于纳米材料技术领域，涉及一种二维金属氧化物纳米片及其制备方法。

背景技术

金属氧化物纳米材料因其优异的电、光、热、力学等性能，在能源、催化、材料、环境、电子和生物医学等领域存在广泛的应用潜力。具有二维结构的金属氧化物纳米片由于具有高比表面积、短载流子迁移距离、高活性等特性，被广泛应用于能源、催化和环境保护等领域。

由于二维金属氧化物纳米材料巨大的应用前景，近年来关于金属氧化物纳米片的合成和形貌控制的研究越来越多，其中如何合成非层状的金属氧化物纳米片成为了研究的焦点。目前，非层状金属氧化物纳米片的合成方法主要有一下几种：纳米晶自组装法、二维取向连接法、层状前驱体辅助剥离法、二维模板合成法和局部化学转换法，其中尤以二维模板法应用最广发。在众多二维模板剂中，具有二维结构的氧化石墨烯由于表面含有大量的含氧基团便于与金属前驱体发生相互作用而应用最为广泛。

由于二维模板剂无法实现真正的二维限域，因此二维模板法合成金属氧化物纳米片的关键是如何通过精确调控让前驱体在二维模板剂表面均匀长出薄层的纳米粒子或纳米粒子前体，在这个过程中，既不能在溶液中独自生成纳米粒子，也不能在模板剂表面长成更大尺寸的晶体或聚集体。为了解决这一问题，现有研究工作采用了各种方法，通常需要精细的调控实现纳米粒子在二维模板剂表面生长，而且这种调控通常具有特异性：不同金属需要不同的条件和方法。这使得这些制备方法都不够普适，仅适用于特定的金属或特定类的金属。同时，由于严苛的反应条件，制备的金属氧化物纳米片通常产率低，成本高，难以大量制备。因此，发展一种具有低成本、高普适性、高效率、高可控性和可宏量制备的合成二维金属氧化物纳米片的新方法，仍然是二维金属氧化物纳米片的实际应用所面临的一项重要挑战。

发明内容

本发明针对现有技术的不足，本发明提供了一种低成本、高普适性、高效率、高可控性和可宏量制备的二维金属氧化物纳米片及其制备方法。本发明制备的二维金属氧化物纳米片，可用于能源存储与转换、化学催化、环境保护、生物医学等多个领域。

本发明提出的一种二维金属氧化物纳米片，所述金属氧化物纳米片具有二维层状结构；所述金属氧化物纳米片的厚度为0.5-30纳米；所述金属氧化物纳米片的横截面长度为0.1-1000微米。

本发明中，所述金属氧化物纳米片具有孔洞结构，孔洞的平均孔径为0.5-10纳米；所述金属氧化物纳米片的比表面积为20-500平方米/克。

本发明中，所述金属氧化物纳米片中金属元素包括铁、铝、镁、钛、锌、铬、铜、锰、钡、镍、钴、锆、锡、银、钨或钼中的一种或几种混合。

本发明提出的一种二维金属氧化物纳米片的制备方法，具体步骤如下：

（1）：将层状石墨烯框架材料加入到金属盐水溶液中，过滤得到层间含金属盐溶液的湿态层状石墨烯框架材料颗粒；

（2）：将步骤（1）得到的湿态层状石墨烯框架材料颗粒加入到过量的金属盐的沉淀剂溶液中，沉淀物经过滤、洗涤和干燥后，得到层状石墨烯框架材料/金属盐沉淀物复合物；

（3）：将步骤（2）得到的层状石墨烯框架材料/金属盐沉淀物复合物经高温煅烧，得到二维金属氧化物纳米片。