江苏大学饶德伟、Palacky University左云鹏联合中山大学王梦晔综述 | 二维材料在电催化与能源存储中的应用

研究背景:

自 2003 年发现石墨烯以来，二维 (2D) 材料（从绝缘体、半导体到导体）因其不同于大块材料的独特性质而受到深入研究。原子级厚度的二维结构赋予此类材料较大的表面积、有利的电荷转移平面和特殊的量子尺寸效应。

独特的物理化学、光学和电子特性、高导热性和机械强度，以及电子限制效应使2D材料具有广泛的应用潜力，包括光/电催化、储能和晶体管和传感器等。迄今为止，除石墨烯外，已有数百种2D材料被成功制备成一个巨大的二维库，如2D过渡金属二硫化物（TMDs）、2D层状双氢氧化物（LDHs）、2D金属有机骨架（MOFs）、2D过渡金属碳化物/碳氮化物（MXenes)、过渡金属氧化物 (TMO)、石墨碳氮化物、磷、硅烯、六方氮化硼、2D金属和2D钙钛矿，以及2D聚合物和共价有机化合物 (COF)，所有相关的2D材料如下图1所示。

图1 应用于电催化及能源存储的不同类型的2D材料

值得注意的是，人工智能和计算模拟技术的快速发展为新型材料的设计、制造和开发提供了强有力的支持，许多研究人员使用相互关联的技术来预测目标材料的特性，这有助于扩展2D材料的类别、成分和特殊结构，与此同时，一系列新兴技术引导研究人员开展复杂异质结构的设计和应用，这些异质结构是由不同成分、不同性质的2D材料组成的多层结构。更具体地说，这些2D材料的组成多样性和结构可调性使其在众多技术应用中前景广阔。所有2D材料所产生的特性与其成分具有密切相关性。为了进一步满足电催化和能源存储应用的要求，我们在本文中相应地总结了2D材料本征组成、合成策略和功能修饰方法，这些方法包括表面功能化、机械或化学剥离、形成异质结构、杂原子掺杂、缺陷产生和价键工程。常见的能量存储和转换利用装置包括超级电容器、电池、燃料电池和水分解装置。电催化剂和储能领域的快速兴起和广泛应用，以及不断增加的能源消耗问题，促使越来越多的2D材料被开发。

在这篇综述中，江苏大学饶德伟、Palacky University左云鹏联合中山大学王梦晔重点关注新型2D材料的最新进展及其在电催化和能源领域的合理设计和应用。2D材料由主要分布在图1周期表中突出显示的不同族群的元素组成。随着理论预测和新技术的进步，具有多层堆叠和层间不同旋转角度的2D单元素材料正在不断发展，并且展示出有趣的新特性，有时会发现前所未有的特征，除了2D单元素材料外，大多数2D材料都是由IVB到VIII族的过渡金属形成的，因为它们具有丰富的价键配位能力。基于2D化合物构建异质结可以形成多种不同的组合，在许多领域都有广泛的应用。本文详细阐述了这些2D材料的基本特性，并讨论了使这些材料适合催化及年能源存储利用的活性或机制。

示意图 不同类型和配置的2D材料应用于电催化及能源存储

2D材料在催化及能源存储领域的应用案例综述：

图2 黑磷的结构分析及其在电催化领域的应用

图3 硼烯的合成及性质分析

图4 硅烯的合成及其在电池中的应用

图5 各类2D单金属、合金及其电催化应用研究

图6 非常见的2D单金属纳米结构

图7 Mxene的类别及其在ORR中的应用

图8 2D COFs的构建及结构分析

2D材料在催化及能源存储中的挑战及展望：

1. 尽管原子级厚度一直是2D材料的典型特征，但最大的挑战是如何在应用过程中保持这一特性。由于2D材料巨大的比表面积和界面处丰富的悬空键，它们极易堆叠。2D材料的堆叠和聚集会迅速降低2D材料的活性表面积，从而降低活性。通过在表面垂直生长2D纳米阵列原位进行电极构建，可以有效提高2D材料的利用效率，有效促进其在工业中的应用。

2. 对于 2D 材料，未来的努力应该致力于开发精确控制材料特性的实用方法。应该更好地理解构效关系和与性能相关的规律，以满足实践层面的需求。

3. 对于MXene等2D材料，应尽快开发和验证更多的新前驱体和制备技术，以进一步探索有前途的性能并扩展应用前景。此外，与储能能力相关的因素，例如多价离子插入、活性终止基团和具有有机或无机物种的杂化物，仍缺乏全面的实验探索和机理研究。此外，对MXene电催化性能的了解程度仍需进一步挖掘。

点击“阅读原文”直达上述文章

Two-dimensional materials for electrocatalysis and energy storage applications

Tingting Li, Tianyun Jing, Dewei Rao, Stefanos Mourdikoudis, Yunpeng Zuo and Mengye Wang

Inorg. Chem. Front., 2022, 9, 6008-6046

https://doi.org/10.1039/D2QI01911F

*文中图片皆来源上述文章

通讯作者简介

饶德伟 研究员

江苏大学 材料科学与工程学院

饶德伟，江苏大学研究员，博导，近年来以通讯作者身份在Nat Commun、Angew Chem、Adv Mater、ACS Nano、Adv Funct Mater 等国际顶尖期刊发表多篇研究论文。

王梦晔 副教授

中山大学 材料学院

王梦晔，中山大学深圳校区材料学院副教授，博导，中国科协第五届“青年人才托举工程”获得者，主持参与国家自然科学基金重大研究计划，军委科技委基础加强(原国防973计划)，国自然青年基金等项目，在JACS, Angew, AEM, AFM, Nano Letter等杂志发表多篇研究论文。从2020年至今，担任中国晶体学会第一届青年工作委员会委员。

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