层状过渡金属二硫属化物纳米片的层间结构调控及电化学能量存储与转换性能研究进展

层状结构纳米材料掀起了材料研究的热潮。层状结构材料的层内以较强的共价键或者离子键结合而成,而层与层之间是通过较弱的范德华力相互作用堆叠在一起。在外力的作用下,层间可以发生宽化甚至剥离形成单层二维材料。层状过渡金属二硫属化物(MX2)纳米片具有可控的层数、超薄的单层厚度、丰富的二维层间通道、较大的层间表面积等特点,呈现出奇异的物理与化学性质。近年来,这类材料广为人们所青睐,是当前国际研究的热点和前沿领域。MX2纳米材料具有优异的电化学性能,在二次电池、超级电容器、电催化和光电化学器件等方面具有良好的发展前景。MX2层间结构变化对材料的物理性质及电化学能量存储与转换性能具有特殊的影响意义。

合肥工业大学电子科学与应用物理学院许俊教授与香港城市大学超金刚石及先进薄膜研究中心(COSDAF)李振声教授合作,围绕调控MX2纳米片的层间结构来提高材料电化学储能与催化性能这一主题,开展了富有成效的研究探索,并取得了一系列创新性研究进展。

AENM-xujun

论文从MX2纳米片层间结构出发,讨论了层间结构变化包括层间距变化和外来功能粒子插层作用对MX2材料电化学储能与催化性能的影响和意义。论文总结和分析了层间宽化MX2纳米片的合成方法,分别讨论了“自上而下”和“自下而上”两种思路来制备不同层间距的MX2纳米材料,通过引入有机或无机功能粒子(有机分子、无机离子、原子层二维材料、量子点等)来合成杂化结构并调控MX2的层间距。论文系统讨论了该类材料在锂离子电池、钠离子电池、镁离子电池、赝电容超级电容器和电催化析氢等方面的研究进展。对于离子插层型的储能器件,MX2层间距宽化能够优化离子嵌入能、提高离子扩散动力学,有利于缓释充放电过程中MX2电极材料的体积效应及产生的应力,显著提高其充放电性能。另一方面,层间距宽化能够改变MX2材料的电子能级结构,优化材料的氢吸附自由能,提高其电催化析氢过程中的反应动力学,论文系统分析了层间距宽化并结合小尺寸效应、晶相调控、缺陷密度及材料复合等手段,增加MX2催化剂的活性位点、提高其析氢性能。最后,论文进一步阐述了层间距宽化的MX2纳米材料在环境处理方面的潜在应用。

针对未来MX2层间调控的发展,作者认为可以集中在MX2层间距宽化机理、功能插层粒子开发、实验与理论计算相结合、先进表征手段等方面,分析和揭示MX2层间结构与材料性能之间构效关系,进而为材料的可控合成及电化学性能研究提供有效的指导方向。相关文章发表在Advanced Energy Materials(DOI: 10.1002/aenm.201700571)上。

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