超薄二维铁氧化物晶态材料的制备和性能研究

当晶体尺寸减小到接近或小于单个晶胞尺寸时，许多物理化学性质都可能发生很大的改变，从而产生不同于体相材料的奇异物性并导致新材料的诞生。铁氧化物是在诸多领域都有广泛应用的重要过渡金属氧化物材料。然而到目前为止，超薄铁氧化物二维晶态材料的研究尚未见报道。本项目将以新型磁性、光电功能材料为导向，利用配位、疏水、π-π等非共价相互作用构建限域的二维反应空间，同时借助单体浓度的控制，制备接近单个晶胞尺度的超薄铁氧化物二维晶态材料及其与碳的复合材料。研究二维晶面的尺寸和复合对超薄铁氧化物晶态材料的导电性、磁性、光电响应等性能的影响规律。本项目研究工作的开展不仅将建立接近单个晶胞厚度的超薄铁氧化物二维晶态材料的液相制备方法，而且可能得到新型磁性和光电功能材料。

随着石墨烯和类石墨烯材料的迅速发展，硫化物二维晶态材料也得到了广泛重视和发展。但是对于在诸多领域都有着广泛应用的过渡金属氧化物材料而言，二维晶态材料的研究相对比较少，制备方法也比较缺乏。本项目以新型磁性、光电功能材料为导向，主要利用二醇、油胺等作为溶剂和配体，通过体系反应温度、酸碱性、后期处理条件等对金属氧化物二维晶态材料的生长进行控制，制备了几种氧化铁二维晶态及复合材料、稀土氧化物二维晶态材料以及氧化钛二维晶态及复合材料等，重点研究了上述材料的磁性、电容特性以及光解水催化活性。在超薄氧化铁晶态材料的制备和功能设计方面开展了一系列研究工作，在二醇体系中实现了超薄氧化铁-二醇杂化单晶纳米材料的制备，超薄层结构和二醇插层的存在为杂化材料带来了特殊的磁性。通过对多层氧化铁-丙二醇晶态材料的控制水解，既实现了氧化铁的弛豫和重构，生成gamma-FeOOH晶体，又得以在晶化过程中有效削弱了层与层之间的氢键作用，成功制备了厚度在2~3 nm的gamma-FeOOH二维晶态材料，超薄结构为其带来了与体相材料不同的磁性。进一步改变反应条件，可以实现片层结构的剥离和晶化，得到了厚度小于1nm的超薄alpha-Fe2O3晶态材料，这种超薄结构为alpha-Fe2O3带来了超大的比表面积，由此带来了优于体相以及纳米颗粒的电容性能。这一方法也成功应用于稀土氧化物二维超薄晶态材料的制备中，超薄结构使得材料呈现显著的量子尺寸效应。此外，通过钛酸异丙酯在油胺体系的水解及后续热处理成功制备了超薄TiO2二维晶态材料和超薄TiO2/碳复合材料，碳复合显著提高了其光解水制氢的催化活性并使其活性得到长期保持。项目实施以来，累计发表SCI文章5篇（IF>3的文章4篇），包括Adv. Mater.，Chem. Eur. J和Chem. Commun. 各1篇，项目执行期间，培养1名博士毕业生。通过本项目的实施，得到了几种新型磁性材料、超级电容器材料以及高效光催化剂，为金属氧化物二维晶态材料的制备提供了新方法，很可能拓宽超薄二维晶体材料的研究领域，并得到若干新型功能材料。