Small Methods: 原子层厚度过渡金属硫属化合物在电催化和能源储存领域中的应用

原子层厚度的二维无机纳米材料,由于其维度及量子限域效应而具有一些不同于块体材料的光、电、热等特异效应,因而成为物理、化学、材料等领域的研究重点与热点内容。作为一类典型的二维材料,层状过渡金属硫属化合物(layered transition-metal dichalcogenides, TMDCs or MX2)表现出具有厚度依赖性的能带结构和易调控的物理化学性能,特别是当其层状结构厚度减少到一两个原子层厚度时,会引起一些物理化学性能的转变,拓展其应用领域。例如,单层MX2由于不存在层间相互作用,导致电子被限制在二维平面方向运动,使其能带结构由间接带隙转变为直接带隙。由于维度的减少,原子层厚度的MX2在离子传导、存储方面有独特优势,因此被视为是一种很有应用潜力的电极材料。除此之外,由于原子层厚度的MX2暴露有大量的边缘原子,具有很强的催化活性,因此也常常被用作于各种电催化体系。但是,由于原子层度的MX2制备与表征要求高,其结构特征与电化学性能之间的构效关系还有待进一步阐明。因此,如何合理设计具有优异电化学性能的原子层度MX2成为目前研究领域的重点内容。

近日,来自湖南大学、厦门大学、北京大学与澳大利亚卧龙岗大学研究团队系统地评述了当前原子层厚度MX2在电催化和能源存储领域应用的最新进展,重点讨论了类石墨烯层状MX2和类富勒烯MX2的结构与成分调控与电化学性能的关系。首先,作者系统地论述了层状MX2晶体结构、物相与形貌之间的相互联系,提出1T相与2H相之间、类富勒烯MX2与类石墨烯MX2之间的相互转换关系。其次,作者简单归纳总结了目前应用于可控合成具有物相和形貌层状MX2纳米材料的方法,包括机械剥离、化学插层、液相法等。最后,作者系统地论述了原子层厚度MX2在析氢反应(hydrogen-evolution reaction, HER)、析氧反应(oxygen-evolution reaction, OER)、CO2电还原反应(CO2 electrochemical reduction)等电催化反应,以及在超级电容器(electrochemical capacitors, EC)、锂离子电池(lithium-ion batteries)、钠离子电池(sodium-ion batteries)、锂氧气电池(Li-O2 batteries)、锂硫电池(Li-S batteries)等能源存储领域的应用,系统分析了物相、缺陷、掺杂以及碳基材料(碳纳米管、石墨烯、多孔碳等)复合对其电化学性能的影响,并相应地提出合理设计原子层厚度MX2的指导原则。最后,基于对当前该领域研究工作的总结,作者展望了今后原子层厚度MX2存在的机遇挑战与研究趋势,如发展大规模的合成方法、构造具有大量边缘活性位点的单层材料、结合理论计算模拟,进一步推动原子层厚度MX2的理性设计与优化。相关文章发表在Small Methods(DOI: 10.1002/smtd.201700156, Atomically Thin Transition-Metal Dichalcogenides for Electrocatalysis and Energy Storage)上。本文第一作者为厦门大学段小川助理教授、卧龙岗大学徐建铁博士,通讯作者为湖南大学马建民副教授、北京大学郭少军教授。

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