二维材料范德华间隙的利用

阙海峰 江华宁 王兴国 翟朋博 孟令佳 张鹏 宫勇吉

引用本文: 阙海峰, 江华宁, 王兴国, 翟朋博, 孟令佳, 张鹏, 宫勇吉. 二维材料范德华间隙的利用[J]. 物理化学学报, 2021, 37(11): 2010051-0. doi: 10.3866/PKU.WHXB202010051 shu
Citation:  Que Haifeng, Jiang Huaning, Wang Xingguo, Zhai Pengbo, Meng Lingjia, Zhang Peng, Gong Yongji. Utilization of the van der Waals Gap of 2D Materials[J]. Acta Physico-Chimica Sinica, 2021, 37(11): 2010051-0. doi: 10.3866/PKU.WHXB202010051 shu

二维材料范德华间隙的利用

    作者简介:





    宫勇吉,2011年本科毕业于北京大学化学与分子工程学院。2015年博士毕业于美国莱斯大学。2016–2017年在美国斯坦福大学从事博士后研究。现为北京航空航天大学材料科学与工程学院教授,博士生导师。主要研究方向为二维材料的合成、性质调控及其在信息器件、新能源器件方面的应用;
    通讯作者: 宫勇吉, yongjigong@buaa.edu.cn
  • 基金项目:

    国家自然科学基金(51872012)和国家重点研发计划(2018YFA0306900)资助项目

摘要: 二维材料因为其优异且可调的各种物理化学性质自被发现以来就引起了科研工作者的极大关注。其电学、光学、量子、催化等方面的一些独特性质使其迅速成为一类极其重要的材料体系。二维材料层间弱结合的性质为利用范德华间隙来调控体系的电子结构从而进一步优化材料性能创造了条件。客体原子的引入可以显著改变原有材料的层间间距,改变层间的耦合强度。客体与宿主原子的相互作用也可能改变原始材料的电子结构,从而影响材料的多方面性能,甚至带来新的性质。以锂离子电池为代表的层间存储也是二维范德华间隙在能源存储方面的重要应用,一直受到许多科研工作者的关注。在本综述中,我们从利用插层法改变层间距从而改变层间耦合,引入客体物质与宿主原子相互作用从而改变原材料的物理化学性质或引入新性质和层间储能四个方面系统化阐述了二维材料范德华间隙的各种调控方法及其对合成材料的物理、化学性能的巨大影响,并展望了二维范德华间隙进一步开发利用的方向。

English

    1. [1]

      胡耀娟, 金娟, 张卉, 吴萍, 蔡称心.物理化学学报, 2010, 26, 2073. doi: 10.3866/PKU.WHXB20100812Hu, Y. J.; Jin, J.; Zhang, H.; Wu, P.; Cai, C. X. Acta Phys. -Chim. Sin. 2010, 26, 2073. doi: 10.3866/PKU.WHXB20100812

    2. [2]

      Zhang, P.; Ma, L. L.; Fan, F. F.; Zeng, Z.; Peng, C.; Loya, P. E.; Liu, Z.; Gong, Y. J.; Zhang, J. N.; Zhang X. X.; et al. Nat. Commun. 2014, 5, 3782. doi: 10.1038/ncomms4782

    3. [3]

      李家意, 丁一, 张卫, 周鹏.物理化学学报, 2019, 35, 1058. doi: 10.3866/PKU.WHXB201812020Li, J. Y.; Ding, Y.; Zhang, D. W.; Zhou, P. Acta Phys. -Chim. Sin. 2019, 35, 1058. doi: 10.3866/PKU.WHXB201812020

    4. [4]

      Jiang, H. N.; Zhang, P.; Wang, X. G.; Gong, Y. J. Nano Res. 2020, doi: 10.1007/s12274-020-3020-5

    5. [5]

      Wang, X. G.; Zhou, Z.; Zhang, P.; Zhang, S. Q.; Ma, Y.; Yang, W. W.; Wang, H.; Li, B. X.; Meng, L. J.; Jiang, H. N.; et al. Chem. Mater. 2020, 32, 2321. doi: 10.1021/acs.chemmater.9b04416

    6. [6]

      Xue, Y. H.; Zhang, Q.; Wang, W. J.; Cao, H.; Yang, Q. H.; Fu, L. Adv. Energy Mater. 2017, 7, 1602684. doi: 10.1002/aenm.201602684

    7. [7]

      Wang, C.; He, Q. Y.; Halim, U.; Liu, Y. Y.; Zhu, E. B.; Lin, Z. Y.; Xiao, H.; Duan, X. D.; Feng, Z. Y.; Chen, R.; et al. Nature 2018, 555, 231. doi: 10.1038/nature25774

    8. [8]

      Kobayashi, K.; Yamauchi, J. Phys. Rev. B: Condens. 1995, 51, 17085. doi: 10.1103/PhysRevB.51.17085

    9. [9]

      Lu, N.; Guo, H.; Wang, L.; Wu, X.; Zeng, X. C. Nanoscale 2014, 6, 4566. doi: 10.1039/C4NR00783B

    10. [10]

      Conley, H. J.; Wang, B.; Ziegler, J. I.; Haglund, R. F.; Pantelides, S. T.; Bolotin, K. I. Nano Lett. 2013, 13, 3626. doi: 10.1021/nl4014748

    11. [11]

      Komsa, H. P.; Krasheninnikov, A. V. Phys. Rev. B 2013, 88, 085318. doi: 10.1103/physrevb.88.085318

    12. [12]

      Terrones, H.; Lopez-Urias, F.; Terrones, M. Sci. Rep. 2013, 3, 1549. doi: 10.1038/srep01549

    13. [13]

      Lu, N.; Guo, H.; Li, L.; Dai, J.; Wang, L.; Mei, W. N.; Wu, X.; Zeng, X. C. Nanoscale 2014, 6, 2879. doi: 10.1039/c3nr06072a

    14. [14]

      Ma, Y.; Dai, Y.; Guo, M.; Niu, C.; Huang, B. Nanoscale 2011, 3, 3883. doi: 10.1039/c1nr10577a

    15. [15]

      Kośmider, K.; Fernández-Rossier, J. Phys. Rev. B 2013, 87, 075451. doi: 10.1103/physrevb.87.075451

    16. [16]

      Bao, W. Z.; Wan, J. Y.; Han, X. G.; Cai, X. H.; Zhu, H. L.; Kim, D. H.; Ma, D. K.; Xu, Y. L.; Munday, J. N.; Drew, H. D.; et al. Nat. Commun. 2014, 5, 4224. doi: 10.1038/ncomms5224

    17. [17]

      Wan, J. Y.; Bao, W. Z.; Liu, Y.; Dai, J. Q.; Shen, F.; Zhou, L. H.; Cai, X. H.; Urban, D.; Li, Y. Y.; Jungjohann, K.; et al. Adv. Energy Mater. 2015, 5, 1401742. doi: 10.1002/aenm.201401742

    18. [18]

      Kim, N.; Kim, K. S.; Jung, N.; Brus, L.; Kim, P. Nano Lett. 2011, 11, 860. doi: 10.1021/nl104228f

    19. [19]

      Yu, Y. J.; Yang, F. Y.; Lu, X. F.; Yan, Y. J.; Cho, Y. H.; Ma, L. G.; Niu, X. H.; Kim, S.; Son, Y. W.; Feng, D. L.; et al. Nat. Nanotechnol. 2015, 10, 270. doi: 10.1038/nnano.2014.323

    20. [20]

      Wu, H.; Kong, D.; Ruan, Z.; Hsu, P. C.; Wang, S.; Yu, Z.; Carney, T. J.; Hu, L.; Fan, S.; Cui, Y. Nat. Nanotechnol. 2013, 8, 421. doi: 10.1038/nnano.2013.84

    21. [21]

      Li, H. P.; Pan, W.; Zhang, W.; Huang, S. Y.; Wu, H. Adv. Funct. Mater. 2013, 23, 209. doi: 10.1002/adfm.201200996

    22. [22]

      Motter, J. P.; Koski, K. J.; Cui, Y. Chem. Mat. 2014, 26, 2313. doi: 10.1021/cm500242h

    23. [23]

      Koski, K. J.; Cha, J. J.; Reed, B. W.; Wessells, C. D.; Kong, D.; Cui, Y. J. Am. Chem. Soc. 2012, 134, 7584. doi: 10.1021/ja300368x

    24. [24]

      Yang, W. W.; Zhang, S. Q.; Chen, Q.; Zhang, C.; Wei, Y.; Jiang, H. N.; Lin, Y. X.; Zhao. M. T.; He, Q. Q.; Wang, X. G.; et al. Adv. Mater. 2020, 32, e2001167. doi: 10.1002/adma.202001167

    25. [25]

      Friend, R. H.; Yoffe, A. D. Adv. Phys. 1987, 36, 1. doi: 10.1080/00018738700101951

    26. [26]

      Kanetani, K.; Sugawara, K.; Sato, T.; Shimizu, R.; Iwaya, K.; Hitosugi, T.; Takahashi, T. Proc. Natl. Acad. Sci. U. S. A. 2012, 109, 19610. doi: 10.1073/pnas.1208889109

    27. [27]

      Bouwmeester, H. J.; van der Lee, A.; van Smaalen, S.; Wiegers, G. A. Phys. Rev. B: Condens. 1991, 43, 9431. doi: 10.1103/physrevb.43.9431

    28. [28]

      Harshman, D. R.; Mills, A. P. Phys. Rev. B: Condens. 1992, 45, 10684. doi: 10.1038/nmat4251

    29. [29]

      Kumar, P.; Skomski, R.; Pushpa, R. ACS Omega. 2017, 2, 7985. doi: 10.1021/acsomega.7b01164

    30. [30]

      Xie, J.; Zhang, J.; Li, S.; Grote, F.; Zhang, X.; Zhang, H.; Wang, R.; Lei, Y.; Pan, B.; Xie, Y. J. Am. Chem. Soc. 2013, 135, 17881. doi: 10.1021/ja408329q

    31. [31]

      Qin, S.; Lei, W.; Liu, D.; Chen, Y. Sci. Rep. 2014, 4, 7582. doi: 10.1038/srep07582

    32. [32]

      Ye, L. J.; Chen, S. J.; Li, W. J.; Pi, M. Y.; Wu, T. L.; Zhang, D. K. J. Phys. Chem. C 2015, 119, 9560. doi: 10.1021/jp5128018

    33. [33]

      Wang, C.; He, Q. Y.; Halim, U.; Liu, Y. Y.; Zhu, E. B.; Lin, Z. Y.; Xiao, H.; Duan, X. D.; Feng, Z. Y.; Cheng, R.; et al. Nature 2018, 555, 231. doi: 10.1038/nature25774

    34. [34]

      Wang, M.; Koski, K. J. ACS Nano 2015, 9, 3226. doi: 10.1021/acsnano.5b00336

    35. [35]

      Wang, M. J.; Al-Dhahir, I.; Appiah, J.; Koski, K. J. Chem. Mater. 2017, 29, 1650. doi: 10.1021/acs.chemmater.6b04918

    36. [36]

      Hennig, G. R. J. Chem. Phys. 1965, 43, 1201. doi: 10.1063/1.1696905

    37. [37]

      Yang, W. W.; Xiao, J. W.; Ma, Y.; Cui, S. Q.; Zhang, P.; Zhai, P. B.; Meng. L. J.; Wang, X. G.; Wei, Y.; Du, Z. G.; et al. Adv. Energy Mater. 2019, 9, 1803137. doi: 10.1002/aenm.201803137

    38. [38]

      Wang, M.; Lahti, G.; Williams, D.; Koski, K. J. ACS Nano 2018, 12, 6163. doi: 10.1021/acsnano.8b02789

    39. [39]

      Gong, Y. J.; Yuan, H. T.; Wu, C. L.; Tang, P. Z.; Yang, S. Z.; Yang, A. K.; Li, G. D.; Liu, B. F.; Groep, J. V. D.; Brongersma, M. L.; et al. Nat. Nanotechnol. 2018, 13, 294. doi: 10.1038/s41565-018-0069-3

    40. [40]

      He, Q.; Lin, Z.; Ding, M.; Yin, A.; Halim, U.; Wang, C.; Liu, Y.; Cheng, H. C.; Huang, Y.; Duan, X. Nano Lett. 2019, 19, 6819. doi: 10.1021/acs.nanolett.9b01898

    41. [41]

      Wang, N. Z.; Tang, H. B.; Shi, M. Z.; Zhang, H.; Zhuo, W. Z.; Liu, D. Y.; Meng, F. B.; Ma, L. K.; Ying, J. J.; Zou, L. J.; et al. J. Am. Chem. Soc. 2019, 141, 17166. doi: 10.1021/jacs.9b06929

    42. [42]

      Wang, H.; Lu, Z.; Kong, D.; Sun, J.; Hymel, T. M.; Cui, Y. ACS Nano 2014, 8, 4940. doi: 10.1021/nn500959v

    43. [43]

      Wang, X.; Shen, X.; Wang, Z.; Yu, R.; Chen, L. ACS Nano 2014, 8, 11394. doi: 10.1021/nn505501v

    44. [44]

      Chen, W. S.; Gu, J. J.; Liu, Q. L.; Luo, R. C.; Yao, L. L.; Sun, B. Y.; Zhang, W.; Su, H. L.; Chen, B.; Liu, P.; et al. ACS Nano 2018, 12, 308. doi: 10.1021/acsnano.7b06364

    45. [45]

      Meng, L. J.; Ma, Y.; Si, K. P.; Xu, S. Y.; Wang, J. L.; Gong, Y. J. Tungsten 2019, 1, 46. doi: 10.1007/s42864-019-00012-x

    46. [46]

      Li, J. Y.; Zhang, Z. Y.; Cui, W.; Wang, H.; Cen, W. L.; Johnson, G.; Jiang, G. M.; Zhang, S.; Dong, F. ACS Catal. 2018, 8, 8376. doi: 10.1021/acscatal.8b02459

    47. [47]

      O'Farrell, E. C.; Tan, J. Y.; Yeo, Y.; Koon, G. K.; Ozyilmaz, B.; Watanabe, K.; Taniguchi, T. Phys. Rev. Lett. 2016, 117, 076603. doi: 10.1103/physrevlett.117.076603

    48. [48]

      Zhao, J.; Islam, S. M.; Kontsevoi, O. Y.; Tan, G.; Stoumpos, C. C.; Chen, H.; Li, R. K.; Kanatzidis, M. G. J. Am. Chem. Soc. 2017, 139, 6978. doi: 10.1021/jacs.7b02243

    49. [49]

      Ebina, Y.; Sakai, N.; Sasaki, T. J. Phys. Chem. B 2005, 109, 17212. doi: 10.1021/jp051823j

    50. [50]

      Hata, H.; Kubo, S.; Kobayashi, Y.; Mallouk, T. E. J. Am. Chem. Soc. 2007, 129, 3064. doi: 10.1021/ja068272a

    51. [51]

      Hata, H.; Kobayashi, Y.; Salama, M.; Malek, R.; Mallouk, T. E. Chem. Mater. 2007, 19, 6588. doi: 10.1021/cm701936y

    52. [52]

      Hata, H.; Kobayashi, Y.; Bojan, V.; Youngblood, W. J.; Mallouk, T. E. Nano Lett. 2008, 8, 794. doi: 10.1021/nl072571w

    53. [53]

      Oshima, T.; Lu, D.; Ishitani, O.; Maeda, K. Angew. Chem. Int. Ed. 2015, 54, 2698. doi: 10.1002/ange.201411494

    54. [54]

      Luo, Y.; Li, X.; Cai, X.; Zou, X.; Kang, F.; Cheng, H. M.; Liu, B. ACS Nano 2018, 12, 4565. doi: 10.1021/acsnano.8b00942

    55. [55]

      Chen, Z. X.; Liu, C. B.; Liu, J.; Li J.; Xi, S. B.; Chi, X.; Xu, H. S.; Park, I. H.; Peng, X. W.; Li, X.; et al. Adv. Mater. 2020, 32, e1906437. doi: 10.1002/adma.201906437

    56. [56]

      Nair, N. L.; Maniv, E.; John, C.; Doyle, S.; Orenstein, J.; Analytis, J. G. Nat. Mater. 2020, 19, 153. doi: 10.1038/s41563-019-0518-x

    57. [57]

      Zhao, X. H.; Song, P.; Wang, C. C.; Anders C. Riis-Jensen; Fu, W.; Deng, Y.; Wan, D. Y.; Kang, L. X.; Ning, S. C.; Dan, J. D.; et al. Nature 2020, 581, 171. doi: 10.1038/s41586-020-2241-9

    58. [58]

      Palomares, V.; Serras, P.; Villaluenga, I.; Hueso, K. B.; Carretero-Gonzalez, J.; Rojo, T. Energy Environ. Sci. 2012, 5, 5884. doi: 10.1039/c2ee02781j

    59. [59]

      Kim, H.; Kim, J. C.; Bianchini, M.; Seo, D. H.; Rodriguez-Garcia, J.; Ceder, G. Adv. Energy Mater. 2018, 8, 1702384. doi: 10.1002/aenm.201702384

    60. [60]

      Song, M.; Tan, H.; Chao, D. L.; Fan, H. J. Adv. Funct. Mater. 2018, 28, 1802564. doi: 10.1002/adfm.201802564

    61. [61]

      Muldoon, J.; Bucur, C. B.; Gregory, T. Chem. Rev. 2014, 114, 11683. doi: 10.1021/cr500049y

    62. [62]

      Zhai, P. B.; Wei, Y.; Xiao, J.; Liu, W.; Zuo, J. H.; Gu, X. K.; Yang, W. W.; Cui, S. Q.; Li, B.; Yang, S. B.; et al. Adv. Energy Mater. 2020, 10, 1903339. doi: 10.1002/aenm.201903339

    63. [63]

      陈克, 孙振华, 方若翩, 李峰, 成会明.物理化学学报, 2018, 34, 377. doi: 10.3866/PKU.WHXB201709001Chen, K.; Sun, Z. H.; Fang, R. P.; Li, F.; Cheng, H. M. Acta Phys. -Chim. Sin. 2018, 34, 377. doi: 10.3866/PKU.WHXB201709001

    64. [64]

      Lamb, A. B. Chem. Eng. News 1942, 20, 267. doi: 10.1021/cen-v020n004.p267

    65. [65]

      Rüdorff, W. J. C. Chimia 1965, 19, 489.

    66. [66]

      Whittingham, M. S.; Gamble, F. R. Mater. Res. Bull. 1975, 10, 363. doi: 10.1016/0025-5408(75)90006-9

    67. [67]

      Whittingham, M. S. Science 1976, 192, 1126. doi: 10.1126/science.192.4244.1126

    68. [68]

      Mizushima, K.; Jones, P. C.; Wiseman, P. J.; Goodenough, J. B. Mater. Res. Bull. 1980, 15, 783. doi: 10.1016/0025-5408(80)90012-4

    69. [69]

      Mashtalir, O.; Naguib, M.; Mochalin, V. N.; Dall'Agnese, Y.; Heon, M.; Barsoum, M. W.; Gogotsi, Y. Nat. Commun. 2013, 4, 1716. doi: 10.1038/ncomms2664

    70. [70]

      Eames, C.; Islam, M. S. J. Am. Chem. Soc. 2014, 136, 16270. doi: 10.1021/ja508154e

    71. [71]

      Muller, G. A.; Cook, J. B.; Kim, H. S.; Tolbert, S. H.; Dunn, B. Nano Lett. 2015, 15, 1911. doi: 10.1021/nl504764m

    72. [72]

      Liu, W.; Zhai, P. B.; Qin, S. J.; Xiao, J.; Wei, Y.; Yang, W. W.; Cui, S. Q.; Chen, Q.; Jin, C. Q.; Yang, S. B.; et al. J. Energy Chem. 2021, 56, 463. doi: 10.1016/j.jechem.2020.08.019

  • 加载中
计量
  • PDF下载量:  3
  • 文章访问数:  52
  • HTML全文浏览量:  9
文章相关
  • 发布日期:  2021-11-15
  • 收稿日期:  2020-10-23
  • 接受日期:  2020-11-23
  • 修回日期:  2020-11-21
  • 网络出版日期:  2020-12-01
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