[发明专利]一种二维材料、纳米片及其制备方法和应用

说明书

本申请提供了一种二维材料，具有化学式(X‑Y‑Z)_aM_b，X选自羟基、醚基、羧基、醛基、羰基、脂基、硝基、氨基、酰胺基、磺酸基、磷酸基、氰基、硫氰基、烃基、取代烃基、卤素中的至少一种；Y选自烃基、取代烃基、杂芳基、取代杂芳基中的至少一种；Z选自羟基、硫醇基、硒醇基、碲醇基中的至少一种；M选自铁、铬、锰、铜、铅、锌、锡、钴、镍、锑、汞、镉、铋、金、银、铂、钌、铑、钯、钛、锆、铪、钒、铌、钽、钨、钼、镓、铟、铊、锗、铼、钪、钇、钍及镧系金属元素中的至少一种；a、b各自独立地为1～6。该基于结构设计而嫁接于二维材料表面的官能团具有分布状况、分布区域、修饰率已知的优势。

技术领域

本发明涉及一种二维材料、纳米片及其制备方法和应用，属于化学领 域。

背景技术

二维材料作为厚度为单个或多个原子/分子层的片状晶态材料，表现出 一些不同寻常的物理和化学特性，使其在电子/光电子器件、催化、传感器、 能量存储与转化等领域都表现出良好的潜在应用价值。目前，利用共价键 连的方式将有机官能团嫁接到二维材料表面可进一步的优化原二维材料 的物理化学性能，使其具有更好的溶剂分散性(J.Am.Chem.Soc.2008,130, 16201)、开放的带隙(Nat.Mater.2010,9,315)、更多的反应活性位点(Chem. Rev.2012,112,6027)，从而进一步优化材料在储能(Nano Lett.2008,8,3498)、半导体元器件(Nano Lett.8,2008,1704，Nat.Chem.2015,7,45)、 催化(J.Am.Chem.Soc.2018,140,441)等领域的应用需求。目前，已有 科学家通过后修饰的手段，如与已存在官能团共价反应(Chem.Res.2013, 46,31)、二维材料表面缺陷位点的反应填充(J.Am.Chem.Soc.2013,135, 4584)、二维材料物相转换反应等(Nat.Chem.2015,7,45)，来实现二维材 料表面的共价官能团化，但仍存在许多挑战需要克服：1)二维材料表面功能官能团的类型、数量和空间分布无法精确控制；2)在二维材料表面 只能实现局部而不是全覆盖的官能团化，官能团化区域分布不均匀；3) 若没有预先存在的可用于反应的官能团，将很难实现共价官能团化；4) 后修饰的二维材料表面化学官能团化的过程常伴有剧烈的化学反应，将会 带来不可预期的缺陷，使得功能化后的材料的性能不可控。因此，探索一种可控制备表面全共价官能团化的二维晶体材料及其超薄纳米片的方法， 以解决当前二维材料，尤其是超薄二维纳米材料表面官能团均匀、全面修 饰的难题，显得尤为紧迫与必要。

发明内容

根据本申请的一个方面，提供了一种二维材料，该二维材料表面被 -NH₂、-OH、-OMe、-F、-COOH等有机官能团进行均匀有序的全覆盖， 且可通过后处理获得高质量全覆盖的官能团修饰的超薄纳米片。

所述二维材料，具有式Ⅰ所示的化学式：(X-Y-Z)_aM_b式Ⅰ，其中，X 选自羟基、醚基、羧基、醛基、羰基、脂基、硝基、氨基、酰胺基、磺酸 基、磷酸基、氰基、硫氰基、烃基、取代烃基、卤素中的至少一种；Y选 自烃基、取代烃基、杂芳基、取代杂芳基中的至少一种；Z选自羟基、硫 醇基、硒醇基、碲醇基中的至少一种；M选自铁、铬、锰、铜、铅、锌、 锡、钴、镍、锑、汞、镉、铋、金、银、铂、钌、铑、钯、钛、锆、铪、 钒、铌、钽、钨、钼、镓、铟、铊、锗、铼、钪、钇、钍及镧系金属元素 中的至少一种；a、b各自独立地为1～6，其中，a和b为金属与配体的摩 尔比。