自仰韶文化（公元前5000-3000年）起，生活在黃河流域的古代中國人便開始使用天然層狀材料來制作陶器，如碗、缽、缶等。陶器的發(fā)明，標(biāo)志著新石器時(shí)代的開始，同時(shí)，也是人類歷史上第一次利用層狀材料，按照自己的意志，創(chuàng)造出來的一種嶄新的東西。隨著對層狀材料的研究，越來越多的層狀材料被發(fā)現(xiàn)和使用，如石墨，蒙脫土，層狀硫化物，層狀金屬氫氧化物等。其中，層狀金屬氫氧化物是一種陰離子型層狀化合物，金屬多為鈷、鎳、鐵等過渡金屬。與大多數(shù)層狀材料一樣，層狀金屬氫氧化物也可剝離為單分子層的二維結(jié)構(gòu)，厚度僅為1納米左右。這種單分子層金屬氫氧化物由于其極大的比表面積，在電化學(xué)領(lǐng)域展示了極為優(yōu)異的應(yīng)用前景，受到國內(nèi)外多個(gè)課題組的廣泛關(guān)注。但是，由于二維材料自身具有較大的表面能，在制備成電極的過程中經(jīng)常會發(fā)生“自堆疊”現(xiàn)象，這種“自堆疊”現(xiàn)象極大地限制了此種材料在電化學(xué)領(lǐng)域中的應(yīng)用。
中國科學(xué)院蘇州納米技術(shù)與納米仿生研究所研究員靳健課題組提出了一種利用自身表面電荷進(jìn)行異質(zhì)材料的插層組裝來制備全二維超級電容器電極的思路。在電極的制備過程中成功避免了“自堆疊”現(xiàn)象。首先，課題組利用氧化石墨烯與單層氫氧化鈷鋁的電荷差異，對兩種二維材料進(jìn)行了靜電力誘導(dǎo)的層層自組裝（如圖1所示），并獲得了性能較為優(yōu)異的超級電容器電極材料，相關(guān)工作發(fā)表在Chem. Commun. 2011, 47, 3556-3558.和Langmiur 2012,28, 293-298.上。
圖1 氧化石墨烯與單層氫氧化鈷鋁層狀復(fù)合材料制備示意圖
由于鋁原子在作為超級電容器電極時(shí)，缺乏電化學(xué)活性，造成材料質(zhì)量比容量的下降，所以，為了繼續(xù)提升超級電容器性能，課題組制備了α相層狀氫氧化鈷，并通過小分子配體對α相層狀氫氧化鈷的層間距進(jìn)行調(diào)控，制備了層間距分別為1.6，0.7，以及0.09納米的α相層狀氫氧化鈷，系統(tǒng)研究了層間距效應(yīng)對于贗電容活性的影響（如圖2所示）。相關(guān)工作發(fā)表在Adv. Funct. Mater. 2013, 23, 2758-2764上。
圖2 （a）α相層狀氫氧化鈷的掃描電子顯微鏡照片；（b）不同層間距的α相層狀氫氧化鈷的結(jié)構(gòu)示意圖。
隨后，課題組在對α相層狀氫氧化鈷進(jìn)行剝離時(shí)，首次觀測到了氫氧化鈷在剝離過程中的相轉(zhuǎn)換，并首次成功制備了厚度僅為1納米左右的單層β相氫氧化鈷納米片，產(chǎn)率接近100%（如圖3所示）。將其與氧化石墨烯通過靜電力進(jìn)行層層自組裝，制備了還原氧化石墨烯與單層β相氫氧化鈷納米片的全二維復(fù)合電極，該復(fù)合電極材料展示了優(yōu)異的贗電容活性，相關(guān)工作發(fā)表在ACS Nano DOI:10.1021/nn500386u上。
圖3 （a）α相層狀氫氧化鈷到β相氫氧化鈷納米片的相轉(zhuǎn)換過程示意圖；（b）剝離過程中相轉(zhuǎn)化所引起的顏色變化。
該系列工作得到國家自然科學(xué)基金（21004076）、“973”重大研究計(jì)劃（2013CB933000）以及中科院重點(diǎn)部署項(xiàng)目（KJZD-EW-M01-3）的支持。
