第1章二維無機層狀材料總論

1.1概述 2

1.2二維無機層狀材料的結構特征及分類 3

1.3無機層狀材料的制備方法 5

1.3.1固相制備法 5

1.3.2液相制備法 6

1.3.3氣相制備法 7

1.4二維無機層狀材料的插層反應類型 7

1.4.1離子交換法 7

1.4.2分子嵌入法 9

1.4.3柱形化法 9

1.4.4剝離/重組法 10

1.5二維無機層狀材料的功能化及其應用 12

參考文獻 15



第2章二維無機層狀材料的膨潤和剝離

2.1概述 19

2.2二維無機層狀材料的膨潤 19

2.2.1膨潤過程中的物理化學特性 22

2.2.2短距離膨潤過程中的能量變化 25

2.2.3長距離膨潤過程 26

2.2.4發生膨潤現像的無機層狀材料 28

2.3二維無機層狀材料的剝離 30

2.3.1剝離反應行為 30

2.3.2剝離反應過程 32

2.3.3剝離反應體繫 34

參考文獻 35



第3章無機納米片層及納米片層組裝

3.1無機納米片層 38

3.1.1納米片層的構造 39

3.1.2納米片層的制備 40

3.1.3納米片層的表征 52

3.1.4納米片層的性質 58

3.1.5納米片層的應用 61

3.2無機納米片層的組裝 62

3.2.1絮凝組裝 62

3.2.2交替沉積組裝 65

3.2.3Langmuir-Blodgett組裝 67

3.2.4冷凍/或噴霧干燥組裝 69

參考文獻 71



第4章層狀二氧化錳

4.1二氧化錳的結構及分類 75

4.1.1二氧化錳的結構特征 75

4.1.2層狀二氧化錳的結構特征 76

4.1.3隧道型二氧化錳的結構特征 77

4.2二氧化錳的制備技術 80

4.2.1固相反應法和熔融鹽法 81

4.2.2氧化還原沉澱法 82

4.2.3水熱和溶劑熱法、水熱軟化學法 83

4.3不同結構二氧化錳的性質 84

4.3.1層狀二氧化錳的性質和反應特征 84

4.3.2隧道型二氧化錳的性質及反應特征 87

4.3.3二氧化錳的離子篩性質 90

4.4層狀二氧化錳的短距離膨潤 92

4.4.1季銨離子的插層膨潤過程 93

4.4.2插層反應Kielland曲線 103

4.4.3短距離膨潤的影響因素 104

4.5層狀二氧化錳的剝離 109

4.5.1四甲基銨插層二氧化錳水洗剝離 109

4.5.2剝離過程的影響因素 112

4.5.3四丁基銨插層二氧化錳剝離 114

4.5.4二氧化錳納米片層的室溫一步制備 116

4.6二氧化錳納米片層的精細調控 118

4.6.1納米片層尺寸的控制 118

4.6.2納米片層組成和結構的調控 118

4.6.3納米片層靜電自組裝 119

參考文獻 124



第5章層狀二氧化鈦

5.1二氧化鈦及層狀鈦酸鹽結構 128

5.1.1二氧化鈦的晶體結構 128

5.1.2層狀鈦酸鹽結構 129

5.2層狀鈦酸鹽的制備和離子交換 132

5.2.1層狀鈦酸鹽制備技術 132

5.2.2層狀鈦酸鹽的離子交換 133

5.2.3摻雜層狀鈦酸鹽和層狀鈦酸 135

5.3層狀二氧化鈦的膨潤和剝離 137

5.3.1插層反應及膨潤 137

5.3.2膨潤與剝離過程 144

5.3.3滲透膨潤與剝離關繫 146

5.4二氧化鈦納米片層的表征 150

5.4.1小角X射線散射 150

5.4.2透射電子顯微鏡和原子力顯微鏡表征 152

5.4.3納米片層的尺寸控制 154

5.5二氧化鈦納米片層的性質 157

5.5.1光學性質 157

5.5.2電學性質 159

5.5.3催化性質 160

5.5.4理論分析 161

5.6二氧化鈦納米片層的組裝及功能化 162

5.6.1組裝二維薄膜 162

5.6.2組裝粉狀納米結構 168

5.6.3誘導相轉移 172

參考文獻 174



第6章層狀雙金屬氫氧化物

6.1LDHs的組成、結構和性質 178

6.1.1LDHs的組成和結構 178

6.1.2LDHs的性質 179

6.2LDHs制備技術 183

6.2.1共沉澱法 183

6.2.2均相沉澱法 184

6.2.3水熱制備法 184

6.2.4離子交換法 185

6.2.5焙燒復原法 186

6.2.6表面原位制備技術 186

6.2.7模板法 187

6.2.8其它制備方法 187

6.3LDHs剝離過程 188

6.3.1層間環境改善條件下剝離 190

6.3.2機械力驅動剝離 195

6.3.3水介質中剝離 201

6.3.4低溫堿介質中剝離 203

6.3.5等離子體誘導剝離 205

6.3.6奧斯特瓦爾德熟化-驅動剝離 206

6.3.7LDHs納米片層直接制備 207

6.4正電性LDH納米片層功能化 212

6.4.1層板陽離子摻雜功能化 212

6.4.2納米片層缺陷功能化 214

6.4.3納米片層孔洞功能化 215

參考文獻 216



第7章層狀過渡金屬碳化物

7.1MAX相的結構、制備及性質 220

7.1.1MAX相的結構 220

7.1.2MAX相的制備 221

7.1.3MAX相的性質 223

7.2MXene的結構、制備及性質 224

7.2.1MXene的結構 224

7.2.2MXene材料的制備 225

7.3MXene層狀材料剝離 233

7.3.1MAX相制備MXene材料的剝離能 234

7.3.2插層/機械輔助剝離 234

7.3.3Al兩性下的TMAOH插層/剝離 239

7.3.4無氟刻蝕剝離 239

7.3.5凍結-融化輔助剝離 242

7.3.6藻類提取物剝離 244

7.4MXene及納米片層性質 245

7.4.1MXene插層性質 245

7.4.2納米片層分散液的穩定性 246

7.4.3納米片層缺陷性質 248

7.4.4納米片層液晶相 248

參考文獻 251



第8章過渡金屬硫族化合物

8.1TMDs層狀結構 255

8.2TMDs剝離 257

8.2.1機械剝離法 257

8.2.2液相剝離法 261

8.3特殊結構與性質TMDs納米片層 277

8.3.1缺陷納米片層 277

8.3.2異質原子摻雜納米片層 280

8.3.3合金化納米片層 281

8.3.4純1T/1T'相納米片層 283

8.3.5納米片層表面化學 284

8.4TMDs納米片層性質 286

8.4.1電子結構和光學性質 286

8.4.2力學性質 287

8.4.3摩擦和熱性質 288

參考文獻 289



第9章層狀黑磷

9.1層狀黑磷結構 293

9.2層狀黑磷的制備 294

9.2.1高溫/高壓法 295

9.2.2礦化劑輔助法 296

9.3層狀黑磷剝離 296

9.3.1機械剝離轉移法 297

9.3.2液相剝離 299

9.3.3液相超聲輔助剝離 300

9.3.4溶劑熱輔助液相剝離 306

9.3.5剪切力輔助液相剝離 307

9.3.6等離子體輔助減薄剝離 308

9.4磷烯納米片層性質 309

9.4.1物理性質 309

9.4.2化學穩定性 312

9.5磷烯納米片層缺陷工程 313

參考文獻 315



第10素層狀材料

10.1硼烯結構、制備及納米層性質 320

10.1.1硼烯結構 320

10.1.2硼烯制備 322

10.1.3硼烯性質 328

10.2硅烯結構、制備及其性質 331

10.2.1硅烯結構 331

10.2.2硅烯制備 332

10.2.3硅烯電子結構 335

10.2.4硅烯功能化 337

參考文獻 339



第11章納米片層孔洞化及其電化學儲能

11.1電化學儲能原理 343

11.2電化學電容器分類及工作原理 344

11.2.1電化學電容器分類 344

11.2.2電化學電容器工作原理 345

11.3鋰離子二次電池及工作原理 347

11.4二維納米儲能電極材料的結構調控 349

11.5納米片層孔洞化策略 350

11.5.1氧化還原孔洞化機制 352

11.5.2模板導向孔洞化機制 362

11.6孔洞化納米片層材料電化學儲能 366

11.6.1超級電容器儲能 366

11.6.2二次電池儲能 374

11.7孔洞化納米片層電化學儲能應用展望 378

參考文獻 380



索引

二維無機層狀材料是一類重要的固體功能材料，其層與層之間弱的相互作用、層板內強的共價鍵作用以及分子級納米層板厚度等獨特的結構特性，為該類材料的膨潤、剝離、納米片層功能化及設計組裝新型納米層狀功能材料提供了理論及實踐上的可行性，成為設計、組裝和制備二維納米材料重要的前驅體或基本。近二十年來，二維無機層狀材料及其剝離所得二維納米片層的研究出現了井噴式發展趨勢，所組裝材料在儲能材料、光催化材料、吸附材料及磁性材料等領域展現了廣闊的應用前景。

二維無機層狀材料及其剝離所得二維納米片層的基礎和應用研究已經取得了顯著進步。針對不同類型二維無機層狀材料，圍繞其制備技術、插層反應機制、膨潤和剝離過程以及納米片層組裝二維納米功能材料等方面，發展了許多獨特的制備新技術，闡明了二維無機層狀材料的插層反應機制，發展了二維無機層狀材料膨潤和剝離新體繫，實現了二維納米材料應用性的突破。這些工作的特點是特定類型二維無機層狀材料研究目標明確，解決問題針對性強，且相應的文獻報道和書籍較多。但是，對於不同類型二維無機層狀材料的結構差異性導致的插層反應機制、膨潤和剝離行為的本質規律以及納米片層組裝二維納米材料等研究的繫統性有待加強，需要一本有關其制備、膨潤和剝離、納米片層功能化的繫統性著作以彌補這方面的不足。因此，本書的編寫思想是以不同電性二維無機層狀材料為主線，從二維無機層狀材料的制備、膨潤及剝離原理、剝離方法、二維納米片層功能化等方面進行論述和討論，以彌補相近書籍隻注重二維無機層狀材料制備或隻注重其剝離現像及剝離材料應用，而對剝離本質及原理的繫統論述和討論不足的現狀，為化學和材料類高年級本科生、研究生和二維層狀材料及功能材料研究人員提供一本繫統論述二維無機層狀材料的基礎理論性著作。

本書主要內容包括二維無機層狀材料制備技術，二維無機層狀材料膨潤、剝離原理及方法，二維納米片層功能化以及納米功能材料應用四大部分。全書共分11章，第1章為二維無機層狀材料總論；第2～3章主要論述二維無機層狀材料膨潤、剝離原理和規律性，即二維無機層狀材料的膨潤現像、剝離以及無機納米片層；第4～10章依據不同電性二維無機層狀材料，從制備技術、剝離方法、剝離納米片層、納米片層功能化及組裝材料的應用分別展開論述。依據二維無機層狀材料層板電性的不同，負電性二維無機層狀材料主要集中討論層狀二氧化錳、層狀二氧化鈦和層狀過渡金屬碳、氮化物，正電性二維無機層狀材料主要對層狀雙金屬水合氫氧化物（LDHs）進行討論，中性二維無機層狀材料主要討論層狀MoS2、層狀黑磷及層狀磷烯等；第11章主要論述二維納米片層的孔洞化及其材料的電化學儲能。

本書初稿部分內容繫陝西師範大學材料科學與工程學院的講義。在講義使用過程中，不少老師和學生都提出了寶貴意見，編者謹向他們表示感謝。

本書在編寫過程中，還參考了國內外出版的一些教材、著作和論文，在學習過程中獲得了啟發和教益，編者謹向作者表示感謝。

後，感謝化學工業出版社的熱情鼓勵、支持和幫助。

由於編者水平有限，疏漏和不當之處在所難免，懇請各位專家和同行以及閱讀使用本書的教師和同學們提出寶貴意見，以便及時更正。



劉宗懷

2021年4月於陝西師範大學