多原子层状材料制造技术

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。

Multiatomic Layered Materials

A kind of multi-atom layered material and its preparation and application are described. The material may comprise a first 2D non-carbon atom layer, a second 2D non-carbon atom layer, and an insert between the first and second atomic layers.

【技术实现步骤摘要】
【国外来华专利技术】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。
技术介绍
A.
本专利技术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，ElectrochemistryCommunications，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,ThermochimicaActa，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，AngewandteChemieInternational,2015，第54卷，第32号；F.Hoshyargar等人，DaltonTransactions，2013，第42卷；K.J.Koski等人，JournaloftheAmericanChemicalSociety，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—AEuropeanJournal，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2DSiOx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。
技术实现思路
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)，以形成本专利技术的多原子层状材料。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。所得到的本专利技术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。这种颗粒间本文档来自技高网...

【技术保护点】
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。

【技术特征摘要】
【国外来华专利技术】2016.07.15 US 62/362,8401.一种多原子层状材料，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。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。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。4.根据权利要求3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；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。5.根据权利要求3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。6.根据权利要求3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。7.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。8.根据权利要求1所述的多原子层状材料，其中所述嵌入物附着在所述第一原子层和所述第二原子层之间。9.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、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。10.根据权利要求9所述的多原子层状材料，其中所述金属是贵金属、或过渡金属、或其组合或合金或氧化物。11.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。12.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...

【专利技术属性】
技术研发人员：尼丁·乔普拉，伊哈卜·N·乌达，
申请(专利权)人：沙特基础工业全球技术公司，
类型：发明
国别省市：荷兰,NL