Research Progress on the Synthesis and Application of Two-Dimensional Mesoporous Materials

doi:10.19894/j.issn.1000-0518.240001

Chinese Journal of Applied Chemistry ›› 2024, Vol. 41 ›› Issue (6): 767-782.DOI: 10.19894/j.issn.1000-0518.240001

• Review •

Research Progress on the Synthesis and Application of Two-Dimensional Mesoporous Materials

Ying-Wei LI¹, Ji HAN¹, Bu-Yuan GUAN¹^,²()

^1.State Key Laboratory of Inorganic Synthesis and Preparative Chemistry，College of Chemistry，Jilin University，Changchun 130012，China
^2.International Center of Future Science，Jilin University，Changchun 130012，China

Received:2024-01-02 Accepted:2024-03-31 Published:2024-06-01 Online:2024-07-09
Contact: Bu-Yuan GUAN
About author:guanbuyuan@jlu.edu.cn
Supported by:
the National Natural Science Foundation of China(22375071)

Abstract

Abstract:

Mesoporous materials have attracted significant research interests due to its tunable pore structure， controllable chemical composition， and broad application prospects. Compared with traditional three-dimensional mesoporous materials， two-dimensional mesoporous materials have larger specific surface area， shorter diffusion distance， and higher exposure of active sites. Therefore， two-dimensional mesoporous materials exhibit excellent performance in applications such as catalysis， gas adsorption， as well as energy storge and conversion. In this review， based on bottom-up and top-down synthetic strategies， we summarize the research progress of synthetic methods of two-dimensional mesoporous materials in recent years. Then， we discuss their applications in electrochemical energy storage， electrocatalysis， photocatalysis， and gas sensing. Finally， we provide an outlook on the future development directions and challenges of two-dimensional mesoporous materials.

Key words: Mesoporous materials, Two-dimensional materials, Nanomaterials, Electrochemical energy storage, Electrocatalysis, Photocatalysis, Gas sensing

CLC Number:

O611.4

Ying-Wei LI, Ji HAN, Bu-Yuan GUAN. Research Progress on the Synthesis and Application of Two-Dimensional Mesoporous Materials[J]. Chinese Journal of Applied Chemistry, 2024, 41(6): 767-782.

Figures/Tables 9

Fig.1 Formation mechanism （A）， SEM image （B） and TEM image （C） of the mesoporous Ir nanosheets［42］； Formation mechanism from top and side views of 2D quasi-single-crystalline mesoporous nanoplates （SMPs）（D）； SEM image and particle size distribution （E） and TEM image （F） of the highly curved PdCu SMPs［44］； Formation mechanism （G）， SEM image （H） and TEM image （I） of the single-layered 2D mesoporous TiO2 nanosheets［45］

Fig.2 Formation mechanism （A）， SEM image （B） and TEM image and FFT result （C）of mPANI （Scale bars： 100 nm）［46］； Formation mechanism （D）， low-magnification TEM image and fluorescence microscopy image of a partially fluorescent stained layer （inset）（E）， high-magnification TEM image and zoom-in on the cage structures （inset）（F） of 2D mesoporous silica superstructure［47］； Formation mechanism（G）， SEM image （H） and TEM image （I） of sandwiched mPPy/Ag nanoplates hybrid［48］

Fig.3 Formation mechanism （A）， SEM image and of mesopores （inset represent the hexagonal patterns， scale bars： 25 nm）（B）， and TEM image （C） of OMCS with vertical mesopores［49］； Formation mechanism （D）， SEM image （E） and TEM image （F） of 2D mesoporous AS nanosheet［50］； Formation mechanism （G）， FESEM image （H） and TEM image （I） of SAL-Pt@mTiO2 nanosheet［51］； Formation mechanism （J） of 2D Fey-N-HCNS/rGO-T nanosheet； SEM image （K） of Fe1.6-N-HCNS/rGO-900［52］； Formation mechanism of 2D mesoporous heterostructured （L）； SEM image （M） and TEM image （N） of MXene@C nanosheet［53］

Fig.4 Etching mechanism of two different etching conditions （A）； TEM images of 2D MOF-5 nanosheet etched toward ［100］（B） and ［110］（C） directions［54］； Formation mechanism （D）， SEM image （E） and TEM image （F） of h-Graphene［55］； Formation mechanism （G）， SEM image （H） and TEM image （I） of Ti3C2Cl2 nanosheet with 2D mesoporous structure［56］

Table 1 A comparative analysis of synthetic methods for two-dimensional mesoporous materials

Methods		Advantages	Disadvantages	Applicable conditions
Bottom-up method	Soft-template method	Simple operation， controllable pore size	Complex mechanism， poor universality	Homogeneous aqueous synthetic system， strong interaction between precursor and surfactant
	Soft-soft hybrid-template method	Versatile templates， facile structural control	Increased cost， high toxicity	Liquid-liquid interface synthetic system， adequate interaction between precursor and templates
	Soft-hard hybrid-template method	Easy production of complex 2D mesoporous nanostructures	Harsh template-removal process	Liquid-solid interface synthetic system， sufficient affinity between composite micelle and hard template
Top-down method	Chemical etching	Simple operation	Unavoidable loss of crystallinity， random pore distribution	2D materials with inhomogeneous intrinsic physicochemical properties

Fig.5 SEM image and schematic （A）， first and second cycles of galvanostatic discharge/charge curves （B）， cycling performance and the coulombic efficiency at different current densities （C） of 2D mesoporous graphene nanosheet［59］； SEM image and structure model （D）， cycling performance at different current densities （E）， long-term cycling performance at ultrahigh current density （F） of 2D ordered mesoporous TiO2 nanosheet［45］； FESEM image （G）， cycling stability （H） of 2D mesoporous C-TiO2-C heterostructure； Separation of the capacitive and diffusion currents in the mesoporous heterostructure （I）［60］

Fig.6 SEM image （A） and HER catalytic performance including current density variation at 0.35 V （vs RHE）（B） and Tafel plots （C） of 2D mesoporous mNC-Mo2C@rGO［63］； SEM image （D）， polarization curves （E） and Tafel plots （F） of 2D mesoporous metallic Iridium nanosheets［42］； SEM image （G）， LSV curves （H）， durability and resistance to methanol interference （inset） comparison with commercial Pt/C catalysts （I） of mNC-Fe3O4@rGO-1［64］

Fig.7 TEM image， high-magnification TEM image， AFM image and the corresponding height profile（A）， photocatalytic activity comparison of CN-B， CN-S， PCN-B and PCN-S*（B）， quantum efficiency （C） of PCN-S［66］； TEM image （D）， photocatalytic hydrogen generation rate comparison among samples calcined at different temperatures （E）， single-wavelength photocatalytic hydrogen generation rate and corresponding apparent quantum efficiency comparison with UATNs （F） of SDUATNs［67］

Fig.8 SEM image （A）， responses to volume fraction of 0.0050% ethanol at different temperatures comparison with sensors of different Zn/Sn molar ratio but same calcination temperature （B） and same Zn/Sn molar ratio but different calcination temperature （C） of ZnSnO-3-500［71］； Cross-section FESEM image （scale bars： 100 nm）（D）， gas-sensor schematic and its response and recovery curves （in orange） to volume fraction of 0.0020% NH3， 0.0020% H2S， and mixed gases of NH3 （0.0020%） and H2S （0.0020%） comparison with mesoporous silica thin film （in green） and mesoporous carbon thin film （in blue） based sensors （E） of NH2-functionalized and COOH-functionalized Janus mesoporous carbon/silica thin films［72］

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Research Progress on the Synthesis and Application of Two-Dimensional Mesoporous Materials

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