一种二维金属纳米材料的制备方法技术

本发明专利技术涉及一种二维金属纳米材料的制备方法，该方法为自支撑薄膜超声法，包括如下步骤：制备金属靶材、制备金属薄膜、化学剥离法分离自支撑的金属薄膜、超声分散自支撑的金属薄膜以及后处理。本发明专利技术的二维金属纳米制备方法可以同时适用于普通金属、非晶合金和高熵合金。

【技术实现步骤摘要】
一种二维金属纳米材料的制备方法
本专利技术涉及一种二维金属纳米材料的制备方法。
技术介绍
2004年，英国曼彻斯特大学的两位科学家AndreGeim和KonstantinNovoselov通过“撕胶带”的方法首次将石墨片机械剥离至仅由一层碳原子构成的石墨烯。这两位科学家也凭借在石墨烯研究方面的工作获得了2010年诺贝尔物理学奖。石墨烯因具有超高的电子迁移率、已知材料中最高的电导率和热导率、极高的机械强度、化学惰性、良好的透光性和柔韧性等优异性能而受到众多领域的高度关注、风靡全球，甚至被誉为“黑金”。迄今，石墨烯已经渗透到如计算机硬件、锂电池和太阳能电池、柔性显示屏、复合材料、3D打印、传感器等超过40个前沿应用领域。更为重要的是，石墨烯的成功制备引领了二维纳米材料的研究热潮。如今，科学家相继合成了过渡金属硫族化合物、过渡金属氧化物和氢氧化物、过渡金属碳化物和碳氮化物、六方氮化硼、硅烯、磷烯等二维纳米材料。以石墨烯为代表的这些二维纳米材料不仅具有巨大的技术应用潜力，还为基础科学探索提供了重要的研究模型。目前这些二维纳米材料的成功制备主要归因于他们的前驱体材料具有本征的层状原子结构特征。比如，石墨烯的前驱体材料石墨就可以看成由多层石墨烯堆叠而成的，单原子层的石墨烯层内为结合力较强的共价键，多层石墨烯的层间为结合力较弱的范德华力。这样的结构要求，即本征层状原子结构，极大地限制了二维纳米材料的种类，减小了获得新奇性能的机会。因此，开发新的、更具普适性的二维纳米材料制备方法具有重要意义。金属材料是一类兼具科学价值和实际应用价值的关键材料，在人类社会的发展和进步中起到了举足轻重的推动作用。金属材料的性能与材料的尺寸、形貌、化学成分和原子结构等息息相关。因此，更为广义的“二维金属纳米材料”是指当金属材料的厚度减薄到单个或几个原子层时的金属材料，这种二维金属纳米材料很可能获得不同于块体金属的独特性质。比如，由于维度的降低，二维金属纳米材料会表现出更高的电子迁移率、更高密度的不饱和配位的表面原子、更高的纵横比、更大的比表面积和更高的表面能等新奇的物理、化学和力学性质。这些性质很可能使得二维金属纳米材料在催化、燃料电池、传感、表面增强拉曼光谱、生物成像、近红外光热治疗和磁记录等领域有潜在的应用价值。此外，二维金属纳米材料也会对基础科学研究有重要影响。然而，由于金属键的非定向性，金属原子倾向于在三维空间形成密堆积结构，从而并不具备前述的本征层状原子结构特征，因此很难通过类似于制备石墨烯的方法来得到所需的二维金属纳米材料。因此，如何有效制备二维金属纳米材料成为了一项重要挑战，而这也是探索这类材料奇特性质的前提。经过多年的探索和积累，人们已经开发出了多种制备二维金属纳米材料的化学、物理和机械方法。化学方法主要包括一氧化碳限制生长法、模板合成法、籽晶生长法、水热或溶剂热法、湿化学合成法、纳米颗粒自组装法、局部化学还原法等。一氧化碳可以紧密地吸附在金属表面，从而抑制金属原子在这一取向上的生长。采用一氧化碳限制生长法可以合成诸如Pd、PdAg、PdNi和PtPdAg等的二维金属纳米材料，然而由于难以精确控制合成中晶体形核和生长动力学过程，该方法并未得到十分广泛的实际应用。模板合成法则是通过二维模板抑制金属纳米材料在第三个维度上的生长。通过选取合适的模板，该方法可用来合成Au@Ag、Au@Pt和Ag@Pd等具有核壳结构的二维金属纳米材料。籽晶生长法也可以通过预备籽晶和籽晶生长两个步骤合成诸如Au@Ag、Pd@Pt和Pd@Au等具有核壳结构的二维金属纳米材料。水热和溶剂热法因操作简易而被广泛应用于合成各种各样的纳米材料，如Rh、Ru、PtCu、PtAg、PtAgCo、PtCuBi和PtCuBiMn等二维金属纳米材料。不过，由于水热法对实验条件非常敏感，很难保证不同批次实验得到品质相同的样品。而且，由于所有反应是在密封的高压釜中进行的，很难探究该方法中二维金属纳米材料的生长机理。湿化学合成方法被视为一种便捷的、重复性和可控性较强的自下而上的合成策略，可以高产地得到分散在溶剂中的二维金属纳米材料，便于应用。该方法可用于合成PdCu、PtBi和PdPb等二维金属纳米材料，最近也被用于制备亚纳米厚度的Au和PdMo，这种超薄的二维金属纳米材料还被形象地称为“金属烯”。通过纳米晶或纳米颗粒的自组织可以获得厚度高度可控的、尺寸更大的二维金属纳米材料。尽管该方法简便、有效、成本低，但产物对实验条件(特别是表面活性剂的使用)非常敏感，而且所得二维金属纳米材料由于各晶粒随机分布和晶粒间较弱的结合力而表现出较差的结晶性。局部化学还原法可通过将金属盐类还原制得如Ni、NiCo和NiMo等不含贵金属元素的二维金属纳米材料，因而被认为具有更强的普适性。虽然这些自下而上的化学合成方法可以较好地控制所得二维金属纳米材料的厚度和形貌，但仍有一些内在的局限性。比如，这些方法中通常会用到有毒的金属盐类和有机表面活性剂，后者会残留在所得二维金属纳米材料的表面而使得材料的本征性能无法充分展现。并且，目前这些化学合成方法适用范围非常有限，主要用于合成含有贵金属元素的二维金属纳米材料。此外，这些化学合成方法也很难制备如高熵合金和非晶合金等先进金属材料的二维材料。高熵合金通常指由五种或五种以上组元以接近等比例混合得到的单相合金，表现出优于传统合金的抗断裂能力、抗拉强度、抗腐蚀及抗氧化等特性。近来，人们采用碳热冲击和纳米液滴电沉积等方法将多种金属盐类同时还原制备得到可包含高达八种组元的单相高熵合金纳米颗粒。这些方法需要复杂的实验步骤和严格的控制过程，很难规模化和用于其他金属材料体系，也无法得到二维金属纳米材料。物理气相沉积方法可以高度可控地在衬底上生长厚度低至几个纳米的金属薄膜。不过，通常很难将金属薄膜与衬底分开，若要得到自支撑的金属薄膜(即本文广义上所称的二维金属纳米材料)，则需要选取合适的衬底。比如，可以用NaCl晶体作为衬底，将其浸入温水中即可溶解而被去除，从而仅留存其上的金属薄膜层，而得到所需的二维金属纳米材料，但目前商业的NaCl衬底尺寸较小且价格昂贵，很难用于大规模制备二维金属纳米材料。类似地，还可以用3D打印得到的水凝胶、光刻胶等作为可去除的衬底，但采用这些衬底会使制备工艺复杂化、增加成本，并且仍然只能得到数量或质量十分有限的二维金属纳米材料。考虑到金属材料具有良好的塑性，有人提出通过反复折叠压延方法制备二维金属纳米材料。具体地，将一种金属如Ag的箔带与Al箔叠在一起，之后折叠起来并用轧机压延，重复此过程20次左右可得到类似“千层饼”的复合结构。随后，再用碱性溶液溶解其中的Al层，即可得到厚度低至1nm的二维金属纳米材料。但是，该方法无法适用于如非晶合金这种脆性较强的金属材料。非晶合金，或称金属玻璃，通常由高温熔体急速冷却制成，具有很高的强度、硬度和优良的软磁、耐腐蚀等特性，在结构材料、精密仪器、催化、微机电系统、医用植入物等领域有广阔的应用前景。因此，二维非晶合金纳米材料越来越吸引研究者的兴趣，如何制备二维非晶合金纳米材料也成为人们关注的焦点。气体雾化方法和机械研磨方本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种二维金属纳米材料的制备方法，该方法为自支撑薄膜超声法，所述制备方法包括如下步骤：/n(1)制备金属靶材：按照所需的成分进行配料、熔炼和铸造，得到金属靶材；/n(2)制备金属薄膜：使用Al靶和步骤(1)所得的金属靶材，利用物理气相沉积法，在衬底上相继沉积Al膜和所需的金属薄膜；/n(3)化学剥离法分离自支撑的金属薄膜：将步骤(2)所得样品于室温下浸泡在碱性溶液中，去除所述衬底和所述金属薄膜之间的所述Al膜，得到自支撑的金属薄膜，然后进行清洗；/n(4)超声分散自支撑的金属薄膜：将步骤(3)的经清洗的所述自支撑的金属薄膜置于离心管中，加入有机溶剂，并置于超声清洗机中进行超声，得到分散在所述有机溶剂中的二维纳米金属材料；/n(5)后处理：将步骤(4)经超声后的离心管置于离心机中进行离心，将所述二维金属纳米材料与所述有机溶剂分离，并将分离出的所述二维金属纳米材料置于烘箱中进行干燥，得到所需的粉末形态的二维金属纳米材料。/n

【技术特征摘要】
1.一种二维金属纳米材料的制备方法，该方法为自支撑薄膜超声法，所述制备方法包括如下步骤：
(1)制备金属靶材：按照所需的成分进行配料、熔炼和铸造，得到金属靶材；
(2)制备金属薄膜：使用Al靶和步骤(1)所得的金属靶材，利用物理气相沉积法，在衬底上相继沉积Al膜和所需的金属薄膜；
(3)化学剥离法分离自支撑的金属薄膜：将步骤(2)所得样品于室温下浸泡在碱性溶液中，去除所述衬底和所述金属薄膜之间的所述Al膜，得到自支撑的金属薄膜，然后进行清洗；
(4)超声分散自支撑的金属薄膜：将步骤(3)的经清洗的所述自支撑的金属薄膜置于离心管中，加入有机溶剂，并置于超声清洗机中进行超声，得到分散在所述有机溶剂中的二维纳米金属材料；
(5)后处理：将步骤(4)经超声后的离心管置于离心机中进行离心，将所述二维金属纳米材料与所述有机溶剂分离，并将分离出的所述二维金属纳米材料置于烘箱中进行干燥，得到所需的粉末形态的二维金属纳米材料。


2.根据权利要求1所述的二维金属纳米材料的制备方法，其中，所述步骤(1)中，所述熔炼方法为电弧熔炼法或感应熔炼法。


3.根据权利要求1所述的二维金属纳米材料的制备方法，其中，所述步骤(2)中，所述物理气相沉积方法为离子束溅射沉积或磁控溅射。


4.根据权利要求3所述的二维金属纳米材料的制备方法，其中，采用所述离子束溅射沉积方...

【专利技术属性】
技术研发人员：王子鉴，汪卫华，柳延辉，
申请(专利权)人：中国科学院物理研究所，
类型：发明
国别省市：北京;11