基于二维金属二硫属化合物纳米材料的溶液法制备及其能源存储与转换应用

AMzhanghau过去几十年来,人类对非再生化石燃料的过渡消耗已引起了可持续能源供应的严重危机及相关的环境问题。如何开发一种能够有效地利用诸如太阳能和风能等可再生能源的方式对尽快解决上述问题至关重要。另一方面,氢能是一种干净、环境友好并且理论上取之不尽的可再生能源,具有很好的应用前景。近期研究表明以储量充足且廉价的材料为催化剂,通过电催化的方式制备氢气是利用氢能最为有效的方式之一。

高效率、 高稳定性、 低成本和环保的能源存储与转换设备对于电能的稳定传输以及各种应用需求的有效分配至关重要。例如,以锂离子电池和超级电容器为代表的电化学储能与转换器件已日趋成熟并广泛应用于众多消费性电子设备(如手机、 笔记本电脑和照相机等)。然而,值得注意的是,能量存储与转换器件的性能高度依赖于电极材料的活性。因此,近些年,研究者开发了一大批具有独特结构特征和功能的新型电极材料,以实现能量存储与转换系统性能的进一步提升。

近期,二维纳米材料吸引了学术界的大量关注并展现了极大的应用前景。石墨烯作为最典型的二维原子晶体材料,其物化性能、功能化应用和相关器件制备等在过去十多年来已经取得了突破性的进展。与此同时,一系列具有石墨烯类似结构的新型二维纳米材料也已被大量探索并成功合成。例如,二维金属二硫属化合物(2D MDCs)即是一类典型的二维纳米材料,其化学式通常表示为MX2,其中M表示金属元素,而X代表硫族元素。2D MDCs的成员丰富多样,从绝缘体到半导体,从半金属到纯金属,表现出丰富的力学、电学、光学、热学和化学性质。

得益于其超薄结构和二维形貌,具有单层和少层的2D MDCs展现了诸多与其相应的块状材料非同寻常的属性。例如,2D MDCs的电子结构常常与其厚度有很强的依赖关系(如单层MoS2纳米片的带隙为1.8 eV而块状MoS2为1.3 eV);此外,与石墨烯类似的独特结构和形貌也赋予了2D MDCs超高的比表面积,因而非常适用于一些性能与表面积有强依赖关系的应用,例如电催化和超级电容器;第三,2D MDCs还具有超高的柔韧性和极好的机械性能,因而在柔性电子器件上具有潜在应用。由于这些非同寻常的属性,研究者已经揭示了2D MDCs在各种电子/光电器件、传感器和生物医学中的应用前景。尤其是2D MDCs具有的诸如高度曝露的边缘活性位点、大比表面积和容易被其他客体材料插层等吸引人的特点使其非常适合于能量存储与转换应用,例如可充电电池、超级电容器、电催化产氢和太阳能电池等。

2D MDCs的另一个重要特点是其块状晶体可以基于过渡金属和硫族原子之间不同的结合方式构成具有不同类型的多晶型物,例如1T、2H和3R(即三方、六方和四方晶相)。诸如二硫化钼、二硫化钨和二硒化钼等常见的MDCs块体晶体一般以半导体性质的2H相存在,因此被应用于电子/光电子器件的制备和性能研究。有意思的是,最近的研究表明利用相转变工艺可以实现2D MDCs从半导体性的2H相向金属性的1T相转变,从而显著提高2D MDCs的导电性,使其在诸如电催化产氢、超级电容器和低静态功耗晶体管等方面有更广阔的应用前景。

2D MDCs非凡的物化性能及各种潜在应用也极大地促进了其多种制备技术的发展,以实现具有不同的尺寸、厚度和化学/电子特性的2D MDCs的制备。目前单层或者少层2D MDCs常用的制备方法主要分为自上而下的剥离法和自下而上的合成法。前者包括胶带机械剥离法、液相剥离法、化学/电化学插层剥离法等;后者包括化学气相沉积法(CVD)、水热/溶剂热合成、胶体合成法等。在这些方法中,基于溶液法的制备工艺(如超声辅助液相剥离和溶液法化学合成)可以大规模、高产量地制备2D MDCs,因而特别适合于一些需要的大量样品的应用领域。更重要的是,溶液法制备的2D MDCs还可以作为模板或者载体来制备功能性复合材料以进一步提高2D MDCs的物理和化学性能,从而实现其在相关应用中的性能提升。

新加坡南洋理工大学张华教授等人以二维金属二硫属化合物(2D MDCs)为例,从其溶液法合成、复合材料制备及能源存储与转化应用的角度对该类材料在可充电电池、超级电容器、柔性储能器件、电催化产氢和太阳能电池等应用进行了全面的综述和评论。相关文章发表在Advanced Materials(DOI: 10.1002/adma.201504833)上。