近日，我校2021级硕士研究生刘志远以第一作者身份在国际顶级学术期刊《Angewandte Chemie》上发表题为“Scalable Production of 2D Non-Layered Metal Oxides through Metal-Organic Gel Rapid Redox Transformation”的学术论文。
图1 二维多孔金属氧化物的形成机理分析
二维非层状金属氧化物材料由于其独特的电子特性、丰富的活性位点和明显的法拉第反应，在电化学领域展现出巨大的应用潜力。进一步引入孔洞结构，有助于电解液充分浸润和离子快速扩散，实现电极材料快速的反应动力学。目前二维材料的制备方法可以分为气相法和液相法，气相法可以得到高质量、大尺寸的纳米片，但是其成本高、产量低。液相法简单可控、产物成分均匀，但是液相法很难获得大尺寸的二维纳米片；且需要复杂的纯化处理。而且，气相法和液相剥离法还存在只适用于本征层状结构的二维材料；难以获得孔结构。因此，提出一种通用、可控的制备方法实现大尺寸、成分均匀的非层状二维多孔材料的规模化制备是科研人员需要攻克的难题。
本工作报道了一种金属有机凝胶的快速氧化还原转换策略，实现了二维、多孔非层状金属氧化物的普适和宏量制备。该策略包括金属有机凝胶前驱体的合成，以及简单的高温氧化还原过程，即合成了39种二维、多孔的非层状金属氧化物材料，包括10种过渡族金属氧化物、1种Ⅱ-主族金属氧化物、2种Ⅲ-主族金属氧化物、22种钙钛矿金属氧化物和4种高熵金属氧化物。这些材料都具有大的横向尺寸、超薄的厚度和均匀的化学成分。
其形成机理为：首先，多羧基螯合剂与金属硝酸盐发生螯合反应，同时与羟基醇发生酯化反应，形成高交联度的金属有机凝胶；其次，金属有机凝胶与NO3-发生剧烈的氧化还原反应，从凝胶内部向外部产生大量气体，将其吹成嵌入大量无定型氧化物纳米核的二维碳纳米片；最后，随着温度不断升高，无定型的氧化物纳米团簇生长成纳米颗粒，同时以碳纳米片作为“自牺牲”模板相互连接成二维、多孔的金属氧化物纳米片。
将典型的几种二维多孔金属氧化物材料用于电容去离子，表现出了优异的除盐性能，尤其是MnFe2O4电极。DFT理论模拟计算验证了不同晶面对Na+的吸附倾向，原位XRD证明MnFe2O4电极优异的再生能力。同时，以MnFe2O4电极和商用活性碳电极组成的除盐装置可以作为脱盐电池，在电极再生过程中能够释放大量电能并带动LED灯泡工作。
本研究受到国家自然科学基金、山东省自然科学基金、山东省高校青年创新团队计划项目以及淄博市“校城融合”发展计划的资助。
材料科学与工程学院为第一通讯单位，我校材料科学与工程学院王东教授、张睿副教授、温广武教授与北京化工大学邱介山教授为论文的共同通讯作者。
