单层类水滑石纳米片的可控合成及规模生产展望

李天 郝晓杰 白莎 赵宇飞 宋宇飞

引用本文: 李天, 郝晓杰, 白莎, 赵宇飞, 宋宇飞. 单层类水滑石纳米片的可控合成及规模生产展望[J]. 物理化学学报, 2020, 36(9): 1912005-0. doi: 10.3866/PKU.WHXB201912005 shu
Citation:  Li Tian, Hao Xiaojie, Bai Sha, Zhao Yufei, Yu-Song Fei. Controllable Synthesis and Scale-up Production Prospect of Monolayer Layered Double Hydroxide Nanosheets[J]. Acta Physico-Chimica Sinica, 2020, 36(9): 1912005-0. doi: 10.3866/PKU.WHXB201912005 shu

单层类水滑石纳米片的可控合成及规模生产展望

    作者简介:


    赵宇飞,出生于1985年。于2007年获得山西大学双学士学位。2011–2012年,于牛津大学Dermot O’Hare教授实验室交流学习。2013年于北京化工大学获得博士学位。现为北京化工大学化工资源有效利用国家重点实验室教授。主要研究方向为二维插层材料的可控合成及精细结构表征,LDHs基纳米材料的拓扑结构转变,面向高值精细化学品的光/电催化合成;
    宋宇飞,出生于1976年。于1997年和2002年获得山西大学学士学位和山西大学分子科学研究所博士学位。2002年至2004年在荷兰莱顿大学化学系做博士后研究;2004年至2005年在德国马普生物无机所做博士后研究;2005年至2008年博在英国格拉斯哥大学化学系做博士后研究。现为北京化工大学化工资源有效利用国家重点实验室教授。主要研究方向为多酸基先进功能材料、插层结构组装与催化、以能源与环保为导向的功能材料的设计与制备;
    通讯作者: 赵宇飞, songyf@mail.buct.edu.cn; 宋宇飞, zhaoyufei@mail.buct.edu.cn
  • 基金项目:

    国家重点基础研究发展计划(2017YFB0307303),国家重点基础研究发展规划项目(973) (2014CB932104),国家自然科学基金(U1707603, 21878008, 21625101, 20190816, 21601195, 21922801),北京自然科学基金(2182047, 2202036)和中央高校基金(ZY1709)资助

摘要: 水滑石(LDHs)是一种阴离子黏土材料,由于其主体层板厚度的可调性,使其在光/电催化、电池、超级电容器、传感器以及生物医药等领域都具有广泛应用。降低层厚至单层可使材料的物理化学性质发生根本改变,从而优化催化性能。近期研究表明,利用自上而下,自下而上的方法,可以实现单层LDHs类材料的合成,但是受限于产量(g级)以及成本设备等问题,目前规模化制备高质量单层LDHs类材料还没有工业案例。成核晶化隔离法是目前唯一规模化合成纳米LDHs的工业化方法,具有成本低,产量可吨级放大等优点。本综述从合成方法、表征手段、应用三个角度讨论了单层及超薄LDHs的精准调控,详细论述了近期关于单层及超薄LDHs合成突破以及LDHs的规模化生产进展,并对其性能进行了总结,为后续设计高性能单层LDHs提供思路。

English

    1. [1]

      Novoselov, K. S.; Geim, A. K.; Morozov, S. V.; Jiang, D.; Zhang, Y.; Dubonos, S. V.; Grigorieva, I. V.; Firsov, A. A. Science 2004, 306 (5696), 666. doi: 10.1126/science.1102896 doi: 10.1126/science.1102896

    2. [2]

      Wang, N.; Yang, G.; Wang, H. X.; Yan, C. Z.; Sun, R.; Wong, C. P. Mater. Today 2019, 27, 33. doi: 10.1016/j.mattod.2018.10.039 doi: 10.1016/j.mattod.2018.10.039

    3. [3]

      Manzeli, S.; Ovchinnikov, D.; Pasquier, D.; Yazyev, O. V.; Kis, A. Nat. Rev. Mater. 2017, 2 (8), 17033. doi: 10.1038/natrevmats.2017.33 doi: 10.1038/natrevmats.2017.33

    4. [4]

      Zhao, H. X.; Yu, H. T.; Quan, X.; Chen, S.; Zhao, H. M.; Wang, H. RSC Adv. 2014, 4 (2), 624. doi: 10.1039/c3ra45776a doi: 10.1039/c3ra45776a

    5. [5]

      McAteer, D.; Godwin, I. J.; Ling, Z.; Harvey, A.; He, L.; Boland, C. S.; Vega-Mayoral, V.; Szydłowska, B.; Rovetta, A. A.; Backes, C.; et al. Adv. Energy Mater. 2018, 8 (15), 1702965. doi: 10.1002/aenm.201702965 doi: 10.1002/aenm.201702965

    6. [6]

      Adachi-Pagano, M.; Forano, C.; Besse, J. P. Chem. Commun. 2000, No. 1, 91. doi: 10.1039/A908251D doi: 10.1039/A908251D

    7. [7]

      邱介山, 安玉良, 李杞秀, 周颖, 杨青.物理化学学报, 2004, 20, 260. doi: 10.3866/PKU.WHXB201608233Qiu, J. S.; An, Y. L.; Li, Q. X.; Zhou, Y.; Yang, Q. Acta Phys. -Chim. Sin. 2004, 20, 260. doi: 10.3866/PKU.WHXB201608233

    8. [8]

      麦立强, 杨霜, 韩春华, 徐林, 许絮, 皮玉强.物理化学学报, 2011, 27, 1551. doi: 10.3866/PKU.WHXB20110710Mai, L. Q.; Yang, S.; Han, C. H.; Xu, L.; Xu, X.; Pi, Y. Q. Acta Phys. -Chim. Sin. 2011, 27, 1551. doi: 10.3866/PKU.WHXB20110710

    9. [9]

      Liu, Z. N.; Xu, K. L.; Sun, H.; Yin, S. Y. Small 2015, 11 (18), 2182. doi: 10.1002/smll.201402222 doi: 10.1002/smll.201402222

    10. [10]

      Li, X. D.; Sun, Y. F.; Xu, J. Q.; Shao, Y. J.; Wu, J.; Xu, X. L.; Pan, Y.; Ju, H. X.; Zhu, J. F.; Xie, Y. Nat. Energy 2019, 4 (8), 690. doi: 10.1038/s41560-019-0431-1 doi: 10.1038/s41560-019-0431-1

    11. [11]

      Di, J.; Xia, J. X.; Chisholm, M. F.; Zhong, J.; Chen, C.; Cao, X. Z.; Dong, F.; Chi, Z.; Chen, H. L.; Weng, Y. X.; et al. Adv. Mater. 2019, 31 (28), e1807576. doi: 10.1002/adma.201807576 doi: 10.1002/adma.201807576

    12. [12]

      Shi, L. R.; Chen, K.; Du, R.; Bachmatiuk, A.; Rümmeli, M. H.; Priydarshi, M. K.; Zhang, Y. F.; Manivannan, A.; Liu, Z. F. Small 2015, 11 (47), 6302. doi: 10.1002/smll.201502013 doi: 10.1002/smll.201502013

    13. [13]

      Dan, Y. P.; Lu, Y.; Kybert, N. J.; Luo, Z. T.; Johnson, A. T. C. Nano Lett. 2009, 9 (4), 1472. doi: 10.1021/nl8033637 doi: 10.1021/nl8033637

    14. [14]

      Ohno, Y.; Maehashi, K.; Yamashiro, Y.; Matsumoto, K. Nano Lett. 2009, 9 (9), 3318. doi: 10.1021/nl901596m doi: 10.1021/nl901596m

    15. [15]

      Wu, X. W.; Li, H. P.; Song, S.; Zhang, R. J.; Hou, W. G. Int. J. Pharm. 2013, 454 (1), 453. doi: 10.1016/j.ijpharm.2013.06.043 doi: 10.1016/j.ijpharm.2013.06.043

    16. [16]

      Zhao, M. Q.; Zhang, Q.; Huang, J. Q.; Wei, F. Adv. Funct. Mater. 2012, 22 (4), 675. doi: 10.1002/adfm.201102222 doi: 10.1002/adfm.201102222

    17. [17]

      Khan, A. I.; Ragavan, A.; Fong, B.; Markland, C.; O'Brien, M.; Dunbar, T. G.; Williams, G. R.; O'Hare, D. Ind. Eng. Chem. Res. 2009, 48 (23), 10196. doi: 10.1021/ie9012612 doi: 10.1021/ie9012612

    18. [18]

      Kim, S. J. Polym. Sci., Part B: Polym. Phys. 2003, 41 (9), 936. doi: 10.1002/polb.10453 doi: 10.1002/polb.10453

    19. [19]

      Lin, Y. J.; Li, D. Q.; Evans, D. G.; Duan, X. Polym. Degrad. Stab. 2005, 88 (2), 286. doi: 10.1016/j.polymdegradstab.2004.11.007 doi: 10.1016/j.polymdegradstab.2004.11.007

    20. [20]

      Guo, S. C.; Li, D. Q.; Zhang, W. F.; Pu, M.; Evans, D. G.; Duan, X. J. Solid State Chem. 2004, 177 (12), 4597. doi: 10.1016/j.jssc.2004.09.028 doi: 10.1016/j.jssc.2004.09.028

    21. [21]

      Zhao, Y.; Li, F.; Zhang, R.; Evans, D. G.; Duan, X. Chem. Mater. 2002, 14 (10), 4286. doi: 10.1021/cm020370h doi: 10.1021/cm020370h

    22. [22]

      Evans, D. G.; Duan, X. Chem. Commun. 2006, No. 5, 485. doi: 10.1039/b510313b doi: 10.1039/b510313b

    23. [23]

      Zhao, Y. F.; Li, B.; Wang, Q.; Gao, W.; Wang, C. L. J.; Wei, M.; Evans, D. G.; Duan, X.; O'Hare, D. Chem. Sci. 2014, 5 (3), 951. doi: 10.1039/c3sc52546e doi: 10.1039/c3sc52546e

    24. [24]

      Zhao, Y. F.; Tan, L.; Xu, Y. Q.; Wang, Z. L.; Song, Y. F.; Wang, J. K.; Hao, X. J. Chin. Sci. Bull. 2018, 63 (34), 3598. doi: 10.1360/n972018-00839 doi: 10.1360/n972018-00839

    25. [25]

      Wang, Q.; O'Hare, D. Chem. Rev. 2012, 112 (7), 4124. doi: 10.1021/cr200434v doi: 10.1021/cr200434v

    26. [26]

      Yu, J. F.; Wang, Q.; O'Hare, D.; Sun, L. Y. Chem. Soc. Rev. 2017, 46 (19), 5950. doi: 10.1039/c7cs00318h doi: 10.1039/c7cs00318h

    27. [27]

      Meyn, M.; Beneke, K.; Lagaly, G. Inorg. Chem. 1990, 29 (26), 5201. doi: 10.1021/ic00351a013 doi: 10.1021/ic00351a013

    28. [28]

      Negrete; Letoffe, J. M.; Putaux, J. L.; David, L.; Bourgeat-Lami, E. Langmuir 2004, 20 (5), 1564. doi: 10.1021/la0349267 doi: 10.1021/la0349267

    29. [29]

      Okay, O.; Oppermann, W. Macromolecules 2007, 40 (9), 3378. doi: 10.1021/ma062929v doi: 10.1021/ma062929v

    30. [30]

      Jobbágy, M.; Iyi, N. J. Phys. Chem. C 2010, 114 (42), 18153. doi: 10.1021/jp1078778 doi: 10.1021/jp1078778

    31. [31]

      Klebow, B.; Meleshyn, A. Langmuir 2011, 27 (21), 12968. doi: 10.1021/la202493z doi: 10.1021/la202493z

    32. [32]

      O'Leary, S.; O'Hare, D.; Seeley, G. Chem. Commun. 2002, No. 14, 1506. doi: 10.1039/b204213d doi: 10.1039/b204213d

    33. [33]

      Jobbágy, M.; Regazzoni, A. E. J. Colloid Interface Sci. 2004, 275 (1), 345. doi: 10.1016/j.jcis.2004.01.082 doi: 10.1016/j.jcis.2004.01.082

    34. [34]

      Naik, V. V.; Ramesh, T. N.; Vasudevan, S. J. Phys. Chem. Lett. 2011, 2 (10), 1193. doi: 10.1021/jz2004655 doi: 10.1021/jz2004655

    35. [35]

      Naik, V. V.; Vasudevan, S. Langmuir 2011, 27 (21), 13276. doi: 10.1021/la202876g doi: 10.1021/la202876g

    36. [36]

      Hibino, T.; Jones, W. J. Mater. Chem. 2001, 11 (5), 1321. doi: 10.1039/b101135i doi: 10.1039/b101135i

    37. [37]

      Li, L.; Ma, R. Z.; Ebina, Y.; Iyi, N.; Sasaki, T. Chem. Mater. 2005, 17 (17), 4386. doi: 10.1021/cm0510460 doi: 10.1021/cm0510460

    38. [38]

      Liu, Z. P.; Ma, R. Z.; Osada, M.; Iyi, N.; Ebina, Y.; Takada, K.; Sasaki, T. J. Am. Chem. Soc. 2006, 128 (14), 4872. doi: 10.1021/ja0584471 doi: 10.1021/ja0584471

    39. [39]

      Song, F.; Hu, X. L. Nat. Commun. 2014, 5, 4477. doi: 10.1038/ncomms5477 doi: 10.1038/ncomms5477

    40. [40]

      Fan, K.; Chen, H.; Ji, Y. F.; Huang, H.; Claesson, P. M.; Daniel, Q.; Philippe, B.; Rensmo, H.; Li, F. S.; Luo, Y.; et al. Nat. Commun. 2016, 7, 11981. doi: 10.1038/ncomms11981 doi: 10.1038/ncomms11981

    41. [41]

      Wu, Q. L.; Olafsen, A.; Vistad, Ø. B.; Roots, J.; Norby, P. J. Mater. Chem. 2005, 15 (44), 4695. doi: 10.1039/b511184f doi: 10.1039/b511184f

    42. [42]

      Wei, Y.; Li, F. C.; Liu, L. RSC Adv. 2014, 4 (35), 18044. doi: 10.1039/c3ra46995f doi: 10.1039/c3ra46995f

    43. [43]

      Chen, B.; Zhang, Z.; Kim, S.; Lee, S.; Lee, J.; Kim, W.; Yong, K. ACS Appl. Mater. Interfaces 2018, 10 (51), 44518. doi: 10.1021/acsami.8b16962 doi: 10.1021/acsami.8b16962

    44. [44]

      Zhang, Z. N.; Min, L. F.; Chen, P.; Zhang, W.; Wang, Y. X. Mater. Lett. 2017, 195, 198. doi: 10.1016/j.matlet.2017.02.088 doi: 10.1016/j.matlet.2017.02.088

    45. [45]

      Wang, Q.; O'Hare, D. Chem. Commun. 2013, 49 (56), 6301. doi: 10.1039/c3cc42918k doi: 10.1039/c3cc42918k

    46. [46]

      Yu, J. F.; Ruengkajorn, K.; Crivoi, D. G.; Chen, C. P.; Buffet, J. C.; O'Hare, D. Nat. Commun. 2019, 10, 2398. doi: 10.1038/s41467-019-10362-2 doi: 10.1038/s41467-019-10362-2

    47. [47]

      Liu, R.; Wang, Y. Y.; Liu, D. D.; Zou, Y. Q.; Wang, S. Y. Adv. Mater. 2017, 29 (30), 1701546. doi: 10.1002/adma.201701546 doi: 10.1002/adma.201701546

    48. [48]

      Wang, Y. Y.; Zhang, Y. Q.; Liu, Z. J.; Xie, C.; Feng, S.; Liu, D. D.; Shao, M. F.; Wang, S. Y. Angew. Chem. Int. Ed. 2017, 56 (21), 5867. doi: 10.1002/anie.201701477 doi: 10.1002/anie.201701477

    49. [49]

      Hu, G.; Wang, N.; O'Hare, D.; Davis, J. Chem. Commun. 2006, No. 3, 287. doi: 10.1039/b514368c doi: 10.1039/b514368c

    50. [50]

      Zhao, Y. F.; Wang, Q.; Bian, T.; Yu, H. J.; Fan, H.; Zhou, C.; Wu, L. Z.; Tung, C. H.; O'Hare, D.; Zhang, T. R. Nanoscale 2015, 7 (16), 7168. doi: 10.1039/c5nr01320h doi: 10.1039/c5nr01320h

    51. [51]

      Jia, X. D.; Zhao, Y. F.; Chen, G. B.; Shang, L.; Shi, R.; Kang, X. F.; Waterhouse, G. I. N.; Wu, L. Z.; Tung, C. H.; Zhang, T. R. Adv. Energy Mater. 2016, 6 (10), 1502585. doi: 10.1002/aenm.201502585 doi: 10.1002/aenm.201502585

    52. [52]

      Yu, J. F.; Martin, B. R.; Clearfield, A.; Luo, Z. P.; Sun, L. Y. Nanoscale 2015, 7 (21), 9448. doi: 10.1039/c5nr01077b doi: 10.1039/c5nr01077b

    53. [53]

      Zhao, Y. F.; Zhang, X.; Jia, X. D.; Waterhouse, G. I. N.; Shi, R.; Zhang, X. R.; Zhan, F.; Tao, Y.; Wu, L. Z.; Tung, C. H.; et al. Adv. Energy Mater. 2018, 8 (18), 1703585. doi: 10.1002/aenm.201703585 doi: 10.1002/aenm.201703585

    54. [54]

      Zhang, X.; Zhao, Y. F.; Zhao, Y. X.; Shi, R.; Waterhouse, G. I. N.; Zhang, T. R. Adv. Energy Mater. 2019, 9 (24), 1900881. doi: 10.1002/aenm.201900881 doi: 10.1002/aenm.201900881

    55. [55]

      Tan, L.; Xu, S. M.; Wang, Z. L.; Xu, Y. Q.; Wang, X.; Hao, X. J.; Bai, S.; Ning, C. J.; Wang, Y.; Zhang, W. K.; et al. Angew. Chem. Int. Ed. 2019, 58 (34), 11860. doi: 10.1002/anie.201904246 doi: 10.1002/anie.201904246

    56. [56]

      Li, H. Q.; Tran, T. N.; Lee, B. J.; Zhang, C. F.; Park, J. D.; Kang, T. H.; Yu, J. S. ACS Appl. Mater. Interfaces 2017, 9 (24), 20294. doi: 10.1021/acsami.7b02912 doi: 10.1021/acsami.7b02912

    57. [57]

      Yan, Y. X.; Liu, Q.; Wang, J.; Wei, J. B.; Gao, Z.; Mann, T.; Li, Z. S.; He, Y.; Zhang, M. L.; Liu, L. H. J. Colloid Interface Sci. 2012, 371 (1), 15. doi: 10.1016/j.jcis.2011.12.075 doi: 10.1016/j.jcis.2011.12.075

    58. [58]

      Zhang, Y. P.; Li, H. P.; Du, N.; Zhang, R. J.; Hou, W. G. Colloids Surface A 2016, 501, 49. doi: 10.1016/j.colsurfa.2016.04.046 doi: 10.1016/j.colsurfa.2016.04.046

    59. [59]

      Zhao, Y. F.; Zhao, Y. X.; Waterhouse, G. I. N.; Zheng, L. R.; Cao, X. Z.; Teng, F.; Wu, L. Z.; Tung, C. H.; O'Hare, D.; Zhang, T. R. Adv. Mater. 2017, 29 (42), 1703828. doi: 10.1002/adma.201703828 doi: 10.1002/adma.201703828

    60. [60]

      宋宇飞, 白莎, 赵宇飞, 李天.一种规模化制备单层水滑石纳米片材料的方法: 中国, ZL202010089388.2[P].Song, Y. F.; Bai, S.; Zhao, Y. F.; Li, T. Scale-up Production of Monolayer Layered Double Hydroxide Nanosheets. China Patent ZL202010089388.2.

    61. [61]

      宋家庆, 徐向宇, 林彦军, 李殿卿, 段雪.一种纳米层状复合金属氢氧化物的制备方法: 中国, ZL200910084976.0[P]. 2010-12-08.Song, J. Q.; Xu, X. Y.; Lin, Y. J.; Li, D. Q.; Duan, X. Synthesis of Nano-layered Composite Metal Hydroxide. China Patent ZL200910084976.0, 2010-12-08.

    62. [62]

      http://www.gzs.buct.edu.cn/kycg/yyyjcg/85007.htm.

    63. [63]

      Yan, D. F.; Li, Y. X.; Huo, J.; Chen, R.; Dai, L. M.; Wang, S. Y. Adv. Mater. 2017, 29 (48), 1606459. doi: 10.1002/adma.201606459 doi: 10.1002/adma.201606459

    64. [64]

      Wang, Z. L.; Xu, S. M.; Xu, Y. Q.; Tan, L.; Wang, X.; Zhao, Y. F.; Duan, H. H.; Song, Y. F. Chem. Sci. 2019, 10 (2), 378. doi: 10.1039/c8sc04480e doi: 10.1039/c8sc04480e

    65. [65]

      Zhao, Y. F.; Chen, G. B.; Bian, T.; Zhou, C.; Waterhouse, G. I. N.; Wu, L. Z.; Tung, C. H.; Smith, L. J.; O'Hare, D.; Zhang, T. R. Adv. Mater. 2015, 27 (47), 7824. doi: 10.1002/adma.201503730 doi: 10.1002/adma.201503730

    66. [66]

      Chen, S. C.; Wang, H.; Kang, Z. X.; Jin, S.; Zhang, X. D.; Zheng, X. S.; Qi, Z. M.; Zhu, J. F.; Pan, B. C.; Xie, Y. Nat. Commun. 2019, 10, 788. doi: 10.1038/s41467-019-08697-x doi: 10.1038/s41467-019-08697-x

    67. [67]

      Huo, W. C.; Cao, T.; Liu, X. Y.; Xu, W. N.; Dong, B. Q.; Zhang, Y. X.; Dong, F. Green Energy Environ. 2019, 4 (3), 270. doi: 10.1016/j.gee.2018.11.001 doi: 10.1016/j.gee.2018.11.001

    68. [68]

      Xiong, P.; Zhang, X. Y.; Wan, H.; Wang, S. J.; Zhao, Y. F.; Zhang, J. Q.; Zhou, D.; Gao, W. C.; Ma, R. Z.; Sasaki, T.; et al. Nano Lett. 2019, 19 (7), 4518. doi: 10.1021/acs.nanolett.9b01329 doi: 10.1021/acs.nanolett.9b01329

    69. [69]

      Li, Z. H.; Liu, K.; Fan, K.; Yang, Y. S.; Shao, M. F.; Wei, M.; Duan, X. Angew. Chem. Int. Ed. 2019, 58 (12), 3962. doi: 10.1002/anie.201814705 doi: 10.1002/anie.201814705

    70. [70]

      Werner, S.; Lau, V. W. h.; Hug, S.; Duppel, V.; Clausen-Schaumann, H.; Lotsch, B. V. Langmuir 2013, 29 (29), 9199. doi: 10.1021/la400846w doi: 10.1021/la400846w

    71. [71]

      Peng, L. Q.; Mei, X.; He, J.; Xu, J. K.; Zhang, W. K.; Liang, R. Z.; Wei, M.; Evans, D. G.; Duan, X. Adv. Mater. 2018, 30 (16), 1707389. doi: 10.1002/adma.201707389 doi: 10.1002/adma.201707389

  • 加载中
计量
  • PDF下载量:  4
  • 文章访问数:  23
  • HTML全文浏览量:  1
文章相关
  • 发布日期:  2020-09-15
  • 收稿日期:  2019-12-02
  • 接受日期:  2019-12-30
  • 修回日期:  2019-12-27
  • 网络出版日期:  2020-02-14
通讯作者: 陈斌, bchen63@163.com
  • 1. 

    沈阳化工大学材料科学与工程学院 沈阳 110142

  1. 本站搜索
  2. 百度学术搜索
  3. 万方数据库搜索
  4. CNKI搜索

/

返回文章