一种二维材料及其制备方法和应用
【技术领域】
[0001]本申请涉及二维材料领域，特别是涉及一种二维材料及其制备方法和应用。
【背景技术】
[0002]伴随着科学技术的飞速发展，探索新材料一直是人们孜孜不倦的追求。作为一类新型功能材料，单层二维材料由于比表面积大、密度低、光电磁性质独特等优势，近十年来逐渐成为科学研宄的热点。其中，于本世纪初崭露头角的石墨稀，因其独特的几何结构、电子结构、磁学性质等，在军事、航空航天、微电子工业、信息产业等领域受到越来越广泛的关注，展现出广阔的应用前景。如今，越来越多的单层二维材料，如硅烯、多孔石墨烯、硼氮杂化多孔石墨稀等，逐渐走进了人们的视线。
[0003]近年来，已经有许多类石墨烯结构的二维材料被合成出来，如过渡金属硫属化物、过渡金属氧化物等等。至今，人们仍然不断尝试用各种物理和化学方法丰富着二维材料体系Ο
[0004]现有的合成二维材料的方法有很多，包括机械剥离法、外延生长法、化学气相沉积法、液相超声剥离法等。这几种制备方法都是从体相层状材料上剥离得到二维材料。除此之外，通过传统的“自下而上”的化学合成法也可以直接制备二维纳米片。这种方法的最大优点是所合成的二维材料不受层状结构的限制，对于非层状结构和准层状结构的化合物也适用。自组装合成法是指无序的基本结构单元，如分子、原子、离子、基团等，通过较弱的相互作用，包括范德华力、氧键、共辄键等，自发的组织或者聚集形成一个稳定的、具有一定规则几何外形的有序结构。这种方法长期以来被广泛用于合成各种多级结构的材料。取向连接合成法与自组装合成法略有不同，在该方法中，暴露特定晶面的基本结构单元，在外界条件的作用下，如络合剂调控作用或者偏应力诱导作用等，在平面内有取向地相互连接成二维材料，而且保持最终材料的某些晶面能够统一暴露出来。这种方法同样不局限于材料的结构特征，目前已经成功应用于合成多种非层状二维纳米片。
[0005]虽然目前已有大量的二维材料制备方法，但是，各方法都是特别针对特定的材料或晶体结构的，换一种材料或对象，则很难制备出效果良好的二维材料。并且，如物理或者化学办法剥离层状材料所制备的二维材料，其厚度不均匀且不可控，无法达到理想的二维结构。
【发明内容】
[0006]本申请的目的是提供一种新的二维材料及其制备方法和应用。
[0007]本申请采用了以下技术方案:
[0008]本申请的一方面公开了一种二维材料，该二维材料以磷酸盐水合物分子为结构单元，通过磷酸盐水合物的化学键和氢键，将磷酸盐水合物分子连接成片，形成二维结构的结晶材料，即二维材料。
[0009]需要说明的是，本申请的二维材料，实际上就是利用有机溶剂分子与磷酸盐水合物的水分子连接，将磷酸盐水合物分子定位到指定的界面，然后实现磷酸盐水合物分子之间的化学键和氢键连接，从而获得二维材料。本申请的一种实现方式中，该指定界面即去离子水、有机溶剂和晶体表面的三相界面，在该界面将磷酸盐水合物分子连接成二维的片状结构。
[0010]优选的，磷酸盐水合物分子为Fe3 (P04) 2.8Η20、Μπ3 (Ρ04) 2.3Η20、Co3 (Ρ04) 2.8Η20 和Ni3(P04)2.8Η20 中的至少一种。
[0011]需要说明的是，本申请的二维材料，可以单材质的Fe3(P04)2.8H20或Μη3 (Ρ04) 2.3Η20或Co3 (P04) 2.8Η20或Ni3 (P04) 2.8Η20形成的二维材料，也可以是四种材料中的任意两种、三种或四种混合形成的二维材料，这种混合可以是均匀分散形成的二维材料，也可以是不均匀的，间杂排列形成的二维材料，组合形式可以根据具体的使用需求而定，在此不做具体限定。
[0012]本申请的另一面公开了本申请的二维材料在电池正极材料、光解水制氢或磁性材料中的应用。
[0013]需要说明的是，本申请制备的二维材料，其厚度均匀，具备二维材料具备的各种特性，例如比表面积大、密度低、光电磁性质独特等，因此，本申请的一种应用方式中，将其用于电池正极材料、光解水制氢，取得了良好的效果。当然，可以理解，本申请的二维材料，具备一般二维材料的通性，因此，其应用并不只限于电池正极材料或光解水制氢。
[0014]本申请的再一面公开了本申请的二维材料的制备方法，包括以下步骤，
[0015]a)以能形成结晶水合物的过渡金属盐为原材料，将过渡金属盐、磷酸、碱分别溶解到前驱体有机溶剂中，分别形成过渡金属盐有机溶液、磷酸有机溶液和碱有机溶液；
[0016]b)以过渡金属盐有机溶液为底液，在保护气氛环境中，向底液中滴加酸有机溶液，搅拌均匀后，再向其中滴加碱有机溶液，反应生成磷酸盐与有机溶剂的络合物，即前驱体络合物，分离获得沉淀的前驱体络合物；
[0017]c)将前驱体络合物分散到去离子水中，形成带有结晶水的晶体颗粒，有机溶剂分子与结晶水形成氢键，结合在晶体颗粒的上下表面，分离获得沉淀物；
[0018]d)再将步骤c)的沉淀物分散到去离子水中，在水分子的“刻蚀”作用下，晶体颗粒侧面的晶体单元变成游离的磷酸盐水合物分子，游离的磷酸盐水合物分子与有机溶剂分子结合，在去离子水、有机溶剂与晶体表面的三相界面外延连接成片，形成二维结构的结晶材料，即二维材料。
[0019]其中，碱的作用是跟前驱体过渡金属盐、磷酸一起反应，生成磷酸盐；因此，凡是可以有此作用的碱都可以用于本申请，在此不做具体限定。
[0020]需要说明的是，本申请中的过渡金属盐是指能够生成磷酸盐水合物的金属盐。步骤b)中在无氧环境中进行滴加，主要是为了避免金属离子被氧化；本申请的一种实现方式中，具体是在惰性气氛下进行的滴加，具体采用的惰性气体为氮气。步骤d)中，水分子的“刻蚀”作用，实际上是指水分子由晶体颗粒表面向内，逐步一层一层的替换有机溶剂分子，将晶体单元变成游离的磷酸盐水合物分子，本申请将这个逐步替换的过程称为“刻蚀”。游离的磷酸盐水合物分子与有机溶剂分子通过氢键结合，在去离子水表面界面连接成片，在连接成片后，有机溶剂分子通过与磷酸盐水合物的结晶水分子形成强的氢键，排列在二维的片状结构的上下表面，起到保护作用，从而形成稳定的二维材料。
[0021]还需要说明的是，对于晶体颗粒而言其结晶是磷酸盐水合物分子按照其结构方向排列而成的，因此，本申请的晶体颗粒的上下表面就是指能够与有机溶剂分子结合的面，而其侧面自然就不能与有机溶剂分子结合。由于有机溶剂分子的保护，使得水分子只能从晶体颗粒的侧面开始“刻蚀”，“刻蚀”下来的游离的磷酸盐水合物分子则在有机溶剂分子的吸引下，排列带晶体颗粒的表面，即去离子水、有机溶剂与晶体表面的三相界面，排列成二维结构的磷酸盐水合物分子在重结晶的过程中，实现磷酸盐水合物分子之间的化学键和氢键连接，从而形成二维晶体材料，即本申请的二维材料。其中，游离的磷酸盐水合物分子被有机溶剂分子吸附到晶体颗粒的表面，可以是上表面，也可以是下表面，或者上下表面同时生长，因此，本申请可以最终形成单层或者双层的二维材料。
[0022]优选的，过渡金属盐为FeS04.7H20、CoS04.7H20、MnS04.H20 和 NiS04.6H20 中的至少一种。
[0023]优选的，过渡金属盐为可形成结晶水合物的过渡金属盐。
[0024]更优选的，过渡金属盐为FeS04.7H20、MnS04.H20、CoS04.7H20 和 NiS04.6H20 中的至少一种。其中，FeS04.7H20用于制备Fe3(P04)2.8H20 二维材料，MnS04.H20用于制备Mn3 (P04) 2.3H20 二维材料，CoS04.7H20 用于制备 Co3(P04)2.8H20 二维材料，NiS04.6H20 用于制备Ni3(P04)2.8H20 二维材料。
[0025]优选的，前驱体有机溶剂为乙二醇、异丙醇和丙三醇中的至少一种。
[0026]需要说明的是，本申请的前驱体有机溶剂，其主要作用是与磷酸盐水合物的水分子形成氢键连接，从而将磷酸盐水合物分子带到指定的界面，实现磷酸盐水合物分子的连接；因此，从理论上来说，常规的能够与磷酸盐水合物的水分子形成氢键连接的有机溶剂都可以用于本申请。但是，考虑到连接效果，优选的采用乙二醇、异丙醇和丙三醇中的至少一种。
[0027]本申请的有益效果在于:
[0028]本申请的二维材料是一种全新的二维材料，扩充了二维材料体系，及其应用领域和范围。本申请的磷酸盐系列二维材料，由于具备二维材料比表面积大、密度低、光电磁性质独特等性能，在电池电极材料以及光解水制氢中都有良好的应用。此外，本申请的二维材料制备方法简单、环保、安全，且无需特殊的生产设备，能够很好的满足工业化的大批量生产。
【附图说明】
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