二维材料的合成方法及在催化领域应用的研究进展

杨晨¹，高凤雨^1,2，唐晓龙^1,2，易红宏^1,2，苗磊磊¹，于庆君^1,2，赵顺征^1,2

1. 北京科技大学能源与环境工程学院2. 工业典型污染物资源化处理北京市重点实验室

摘 要：催化技术作为能源转化和环境污染治理领域的重要手段之一,对人类生存环境的改善发挥了巨大作用。随着实际应用需求的不断深化,研究人员致力于研发具有更大比表面积、更多高暴露反应位点和更短反应物/产物扩散途径等特性的新型催化材料。低维纳米材料由于维度低,具有更丰富、特殊的物理和化学性质。其中二维(2D)纳米材料得益于其超薄的层状结构,具有较大的比表面积、高密度的表面活性位点、优异的光电和力学性能,以及易于界面传输和更短的扩散路径,非常适合被用作催化剂。近年来,研究者们致力于开发新型2D材料,积极研究2D材料在催化领域的独特优势,并优化其合成方法,以期尽早实现规模化应用。目前,多种2D材料如石墨烯、黑磷(BP)、过渡金属硫化物(TMDs)、层状双金属氢氧化物(LDHs)等相继被发现。根据2D材料母体是否具有分层结构,选择自上而下的剥离法(微机械剥离法、氧化/还原剂插层辅助剥离法、机械力辅助剥离法、离子交换辅助剥离法及刻蚀辅助剥离法)或自下而上的可控合成策略(化学气相沉积法和湿化学法)应用于制备较高质量的超薄2D纳米材料。它们由于具有高度暴露的表面原子、优异的电子特性和力学性能,在能源催化反应如析氢反应(HER)、析氧反应(OER)、氧还原反应(ORR)、二氧化碳还原反应(CO2RR)等,以及环境催化反应如选择性催化还原反应(SCR)和对挥发性有机物(VOCs)的催化转化中展示出优异的催化性能。可通过表面修饰/功能化、相位工程等策略对2D材料性能进行微观精细调控,进一步优化其催化性能。本文基于2D材料的分类、特性和应用领域,重点概述2D材料的结构特性和合成方法,详细总结其在催化领域的研究热点与进展并提出展望,以期为2D材料在催化领域的研究及应用提供借鉴。

关键词：二维材料;可控合成;催化反应;层状结构;催化性能;