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    2D納米材料與3D石墨烯結構的復合用于電化學能量存儲和轉換

    2D納米材料與3D石墨烯結構的復合用于電化學能量存儲和轉換

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    來源:
    發布時間:
    2022/04/28 21:21
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    近日,香港城市大學張華教授團隊在Advanced Functional Materials上發表綜述文章,論文題為“Hybridization of 2D Nanomaterials with 3D Graphene Architectures for Electrochemical Energy Storage and Conversion”。自石墨烯發現以來,各種二維納米材料已被探索并在電化學能量存儲和轉換中展現出巨大的應用前景。然而,二維納米材料的重新堆疊嚴重減少了它們暴露的活性位點,從而損害了它們的電化學性能。此外,除石墨烯外,大量二維納米材料通常具有不令人滿意的導電性。解決上述缺點的有效策略之一是將 2D 納米材料與 3D 石墨烯結構混合,因為在獲得的混合材料中可以實現大的比表面積和電子、離子和質量的快速傳輸路徑。這篇綜述總結了將 2D 納米材料與 3D 石墨烯結構混合的典型策略,然后重點介紹了這些混合材料在可充電電池、超級電容器和電催化水分解中的應用。還討論了該研究領域的挑戰和未來的研究方向。

    作者總結了 2D 納米材料與 3D 石墨烯結構雜化的最新進展,以及所獲得的雜化材料在電化學儲能和轉換中的應用。通過 2D 納米材料與石墨烯或 GO 基納米結構的自組裝、2D 納米材料在 3D 石墨烯結構上的模板化生長以及其他一些方法,例如兩步轉化策略,已經制備了各種 2D 納米材料/3D 石墨烯雜化物。所獲得的雜化材料繼承了2D納米材料和3D石墨烯結構的優點,具有豐富的活性位點以及高效的電子、離子和質量傳輸路徑。因此,當它們用于電化學能量存儲和轉換時,可以實現優異的電化學性能,包括可充電電池、超級電容器和電催化水分解?! ?/span>

    盡管在過去十年中取得了令人振奮的進展,但該領域仍然存在一些挑戰。首先,制備 2D 納米材料/3D 石墨烯雜化物的雜交過程的精確控制仍然很困難。具體來說,它缺乏有效的策略來確保 2D 納米材料在 3D 石墨烯架構中的均勻分布。對于自組裝方法,在雜化過程中二維納米材料的重新堆疊或聚集是難以避免的。至于模板化生長方法,二維納米材料通常更喜歡在石墨烯的缺陷部位成核。因此,實現高度均勻的混合是一個很大的挑戰。此外,在大多數研究中,二維納米材料在雜化物中的取向受到的關注較少,盡管它會顯著影響電化學反應過程中活性位點的暴露和離子的傳輸。其次,對 3D 結構的孔徑和結構的合理設計和精確控制仍然具有挑戰性。在 2D 納米材料/3D 石墨烯雜化物中存在足夠的孔隙/空隙對于快速離子和傳質至關重要。然而,過大的孔徑會導致浪費空隙空間,這會顯著降低可充電電池和超級電容器的體積能量密度。 因此,需要探索新的策略來設計和控制電池的孔徑和結構。2D 納米材料/3D 石墨烯混合物。第三,開發的 2D 納米材料/3D 石墨烯雜化物離實際應用還很遠。一方面,2D納米材料/3D石墨烯雜化物的制備工藝通常較為復雜,產品良率低,無法滿足實際應用材料規?;a的要求。另一方面,2D納米材料/3D石墨烯雜化物的多孔結構在制造電極和器件的工業過程中很容易被破壞,導致電化學性能受損。先前的研究表明,3D 石墨烯結構及其混合物的機械穩定性與其結構特征高度相關。例如,與密度較低的 3D 石墨烯結構相比,密度較高的 3D 石墨烯結構具有更高的機械強度。此外,與納米片隨機堆疊的結構相比,規則組織的 3D 架構顯示出強大的片間連接,因此具有更好的穩定性。因此,開發新的大規模生產方法來制備結構設計合理、機械穩定性高的 2D 納米材料/3D 石墨烯雜化物勢在必行。
      作為研究熱點,2D納米材料/3D石墨烯雜化物的構建以及在電化學儲能和轉換中的應用仍有很多機會。首先,由于原子和電子結構的改變,納米材料的相工程 (PEN) 已成為調節物理化學性質的一種有前途的策略。然而,盡管研究了 1T-MoS2 的雜化 或 1T-WS2具有用于可充電電池和電催化 HER 的 3D 石墨烯結構,大部分工作仍然集中在具有熱力學穩定相的 2D 納米材料上。因此,制備具有非常規相的新型2D納米材料,將其與3D石墨烯結構雜化,探索所得雜化物在電化學儲能和轉換中的應用具有重要意義。最近,作者所在的課題組報道了高相純度 1T′-MoS2、1T′-MoSe2、1T′-WS2、1T′-WSe2層狀塊狀晶體的制備,發現剝離后的 1T '-MoS2納米片比傳統的 2H-MoS2具有更高的催化活性。這些材料提供了一個有前途的平臺,可以與 3D 石墨烯架構混合用于各種應用。其次,與純 2D 納米材料相比,2D 納米材料/3D 石墨烯雜化物的電化學性能大大提高,這通常歸因于兩種組分之間的協同效應以及促進的電子和離子傳輸。然而,潛在的機制尚未完全了解。因此,重要的是通過使用各種原位/操作表征技術以及理論計算來研究這些混合材料的構造如何影響電化學反應。這也將為合理設計用于電化學能量存儲和轉換的高性能 2D 納米材料/3D 石墨烯混合物提供指導。第三,到目前為止,大多數研究都集中在將 2D 納米材料/3D 石墨烯混合物應用于可充電電池、超級電容器和電催化水分解。然而,考慮到二維納米材料種類繁多及其各種性質和功能,擴大雜化材料在其他領域的應用具有重要意義,包括電催化氧還原、氮還原和二氧化碳還原。例如,Co3O4 納米片/氮摻雜 CNT/3D 石墨烯雜化物已顯示出作為電催化氧還原反應催化劑的巨大潛力。作者相信,在這個有前途的領域投入更多的努力,將會取得更多令人興奮的研究成果。

     

    文章來源:公眾號【研圖匯】

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