清华刘碧录Materials Today：实现二维材料大规模制备，产业化不远了！

二维材料，是指电子仅可在两个维度的纳米尺度（1-100nm）上自由运动（平面运动）的材料，如纳米薄膜、超晶格、量子阱。二维材料是伴随着2004年曼彻斯特大学Geim 小组成功分离出单原子层的石墨材料——石墨烯（graphene）而提出的。纳米材料是指材料在某一维、二维或三维方向上的尺度达到纳米尺度。纳米材料可以分为零维材料、一维材料、二维材料、三维材料。零维材料是指电子无法自由运动的材料，如量子点、纳米颗粒与粉末。具有有趣的物理和化学性质的二维(2D)材料有望在热管理、能量转换、柔性器件、功能复合材料等方面有多种应用。对于这些应用，先决条件是以高质量和低成本高效和可扩展地生产2D材料。

目前文献已经报道了许多实现这一目标的努力，并且“自上而下”剥离技术已经显示出通过克服层状材料中的层间相互作用以高产率实现2D材料的低成本生产的巨大前景。例如，超声波处理和高剪切混合可以从它们的大块对应物中产生2D纳米片，但是产率相对较低。球磨具有更高的产率，但是纳米片通常很小，并且由于高能冲击而含有缺陷。电化学剥离可以高产率地制备单层2D纳米片，但难以放大，主要用于导电材料。中间辅助研磨剥离(iMAGE)技术在生产高质量的2D材料方面是有效的，但是获得更大和更薄的2D片材受到中间体(例如碳化硅颗粒)和层状材料之间弱相互作用的阻碍，并且需要在剥离材料使用之前去除颗粒。开发通用的高产量剥离方法来生产具有大横向尺寸和高质量的超薄2D纳米片仍然具有挑战性！

二维(2D)材料有许多有前途的应用，但它们的大规模生产仍然具有挑战性。近日，清华大学深圳国际研究生院材料研究院刘碧录课题组提出了一种高效的、普适性的胶水辅助研磨剥离法（GAGE），以粘结型高分子作为力传输剂，通过研磨仪引入剪切力，实现了大尺寸、超薄、高质量二维材料的规模化制备。基于密度泛函理论，模拟计算揭示了剥离制备的成功来源于粘结型高分子与层状材料之间的粘接能大于层状材料的剥离能，因此在外加剪切力的作用下，层状材料发生层间滑移，进一步被剥离成二维材料。胶水辅助研磨剥离法可以用来制备六方氮化硼、石墨烯、二硫化钼、二硫化钨、硒氧化铋、云母、蛭石、蒙脱石等多种二维材料。这项工作以“Glue-assisted grinding exfoliation of large-size 2D materials for insulating thermal conduction and large-current-density hydrogen evolution”为题发表在国际顶级期刊《Materials Today》上。

综上所述，作者开发了一种有效且通用的GAGE方法，通过使用粘性聚合物溶液作为研磨介质来可扩展地生产具有大横向尺寸和高质量的2D材料。DFT模拟表明，粘合聚合物和2D材料之间的结合能大于层状材料的剥离能，为成功剥离提供了基础。

此外，通过GAGE方法制备的2D材料/聚合物复合分散体在两个可扩展的应用中显示出显著的性能，包括用于隔热导热的具有超高热导率的柔性BNNS/CMC复合膜和用于大电流密度HER的具有小超电势和良好耐久性的2D二硫化钼基电催化剂。GAGE方法在大规模生产高质量新型2D材料和构建用于许多应用的功能性聚合物复合材料方面具有巨大潜力，例如致动器、能量存储装置和电子装置。

Glue-assisted grinding exfoliation of large-size 2D materials for insulating thermal conduction and large-current-density hydrogen evolution. (Materials Today, 2021, DOI: 10.1016/j.mattod.2021.08.009)