张华教授CHEM经典综述：基于二维纳米片组装的一维纳米结构

撰文：张华教授、赖壮钗

责编：邹世辉

1. 引言

在过去十年里，超薄二维（2D）片状纳米材料，特别是石墨烯及其衍生物，即氧化石墨烯（GO）和还原型氧化石墨烯（rGO），以及其复合材料的研究方兴未艾。薄层石墨烯具有很多独特的物理和化学性质，如高的电荷迁移率，高导热性，优异的导电性和较高的机械强度等。除了石墨烯及其衍生物，过渡金属二硫化物（TMD）超薄纳米片（包括MoS2，MoSe2，TaSe2，WS2，TaS2，TiS2等）由于具有和石墨烯类似的二维结构，在近年来也获得了广泛的关注，并在很多领域展示了诱人的潜在应用前景，例如电子/光电子器件，能量转换和存储，催化，传感器和生物医学等领域。同时，纳米线、纳米卷、纳米管和纳米纤维等一维纳米结构在电子/光电子器件、催化、超级电容器、传感器和柔性器件等领域也显示了优越的应用优势。

新加坡南洋理工大学张华教授团队系统地总结了基于超薄二维纳米片自组装的一维纳米结构的最新研究进展。文章详细地介绍了从二维纳米片制备一维纳米结构的各种组装策略：包括原位自组装、无机纳米颗粒诱导的自组装、一维模板辅助自组装、溶剂/聚合物辅助自组装等合成方法。除此之外，文章还讨论了这些由超薄二维纳米片组装而来的一维纳米结构的潜在应用，并简要总结当前的研究进展情况以及这一领域面临的挑战和未来研究方向。

通常，一维纳米材料的直接合成方法包括化学气相沉积，物理气相沉积，溶液液固生长，种子介导的各向异性生长，水热/溶剂热合成，模板法等。除了直接合成，纳米材料的组装也已经被证明是制备一维纳米结构的可靠替代方案，而二维纳米片，包括石墨烯，GO，rGO和TMD纳米片（例如MoS2，WS2，TaS2，TiS2等），因其高柔韧性被广泛采纳为组装的基本单元通过各种可行的自组装方法将其转变为一维结构纳米材料。更重要的是，这些组合的一维纳米结构不仅可以继承主体二维纳米片的大部分独特属性，还可以产生一些独特的属性。例如，组装的一维石墨烯涡卷与石墨烯纳米片相比，不仅表现出更优异的机械性能，同时也保持了相同的优异导电性。

2.1. 原位自组装

众所周知，大多数二维纳米片的制备都是从其层状块体材料剥离而来（例如石墨和二硫化钼粉末），剥离过程通常会涉及插层和分离过程。而超声技术是剥离插层层状化合物制备二维纳米片最常用的工艺，因此，超声处理也常常被用作诱导二维纳米片原位自组装的驱动力。

图1. 从石墨原位自组装石墨烯纳米卷的示意图

2.2. 无机纳米颗粒诱导的自组装

一些具有特殊性质的无机颗粒也常常被用来修饰二维纳米片从而诱导二维纳米片组装成一维纳米结构，比如氧化铁颗粒。

图2. 磁性氧化铁颗粒修饰的N-rGO组装示意图

2.3. 一维模板辅助自组装

另外一种简单直接的组装方法是采用一维纳米结构作为模板诱导二维纳米片的组装

图3. 以V3O7纳米线为模板辅助的rGO组装示意图

2.4. 溶剂/聚合物辅助自组装

在一些情况下，聚合物也可以作为合适的辅助手段诱导二维纳米片组装成特定形貌的的纳米纤维。

图4. P123辅助组装的(a-c)手性GO纳米纤维，(d-f)手性MoS2纳米纤维，(g-i)手性TaS2纳米纤维

3. 应用

由二维纳米片自组装形成的一维纳米结构和本体相比显示出优异的性能，它们不仅具有二维纳米片的固有特性，而且随着新的一维纳米结构的形成也带来了一些新的性质。这些独特的性质使得组装得到的一维纳米结构能够被应用于能量存储，电子器件和气体传感器等领域。以电子器件为例，由二维还原氧化石墨烯组装制备得到的手性纳米纤维能够被应用于存储器件中：

图5. 基于组装的rGO手性纳米纤维的存储器件及其性能测试

——总结和展望——

本文对二维纳米片自组装成一维纳米结构的研究进展进行了综述。由于本身的独特的物理和化学性质及其高柔韧性，二维超薄纳米片已被证明可以通过原位自组装、无机纳米颗粒诱导自组装、一维模板辅助自组装、溶剂/聚合物辅助自组装等方法组装制备一维纳米卷、纳米管、纳米纤维、手性纳米纤维等多功能纳米材料。这些组装成的新颖一维纳米材料不仅从其二维纳米片主体继承了内在的优异性能，而且还呈现出一些引人入胜的特性，使他们能够被应用于能量存储、电子器件和传感器等领域。尽管如此，缺乏一种通用的、简便的、高效的组装方法，以及对背后组装原理的深入了解依然是现阶段阻碍该领域研究的主要瓶颈。同时，本文也指出，新的二维材料的不断涌现和对二维材料性质的新发现也是未来研究的新看点。

相关内容请点击阅读原文参看CHEM 上的综述文章，该文章的第一作者和通讯作者分别为NTU博士研究生赖壮钗同学和张华教授。本微信推文由张华教授及赖壮钗同学共同讨论定稿。

张华教授课题组简介：

张华教授于1992年和1995年先后从南京大学获得学士学位和硕士学位，此后，在北京大学刘忠范教授的指导下于1998年获得博士学位。1999年，他加入了比利时鲁汶大学，在Frans C. DeSchryver教授的指导下从事博士后研究工作。随后，他于2001年加入美国西北大学的Mirkin教授的课题组开展研究工作。2006年7月他加入新加坡南洋理工大学一直工作至今。截至目前为止，已申请专利68项，发表SCI论文410多篇，论文总引用次数超过37700，H因子为94。课题组目前的研究兴趣主要集中在超薄二维纳米材料（例如金属纳米片，石墨烯，过渡金属二硫化物，二维MOF和COF等）及其复合材料的合成，并研究这些纳米材料在纳米生物传感器，清洁能源，（光电）电子器件，催化和水处理方面的应用；新型金属和半导体纳米材料的可控合成，表征和应用，以及复杂的异质结构等等。