层状材料在能源存储及转化上的应用

随着日趋严重的能源短缺及日益增长的能源需求,能量的有效存储及转换显得尤为重要,而层状材料因其独特的结构特征而在能源相关领域备受研究人员的关注。

层状材料的结构特性分为以下几个方面:1)固有层间距赋予其容纳不同客体离子的能力并可作为离子、电子迁移的快速通道;2)弱的层间结合力(范德华力)使其具有可剥离性从而实现纳米结构、相、缺陷、能带等可控调节;3)层内较强的化学键使其具有优异的机械性能;4)采用溶剂共嵌入、聚合物预嵌入、外来离子柱撑等手段可实现层间距可调。

来自华中科技大学材料科学与工程学院的翟天佑、李会巧研究团队近日在综述文章“Layer Structured Materials for Advanced Energy Storage and Conversion”中系统总结了关于层状材料的结构特性及其在能量存储及转化方面的重要工作。他们详细讨论了层状材料近年来在碱金属电池、电容器、催化等领域的独特应用。在碱金属电池方面,层状材料对不同碱金属离子的嵌入脱出表现出较高的活性及可逆性,当与碳材料等复合时可伴随着新化学键的形成从而提高其作为电极材料的导电性及结构稳定性。在电容器方面,一方面离子在层状材料层间的嵌入可显著提升电容器的容量,另一方面层状材料的可剥离性赋予其相调控的潜力如可实现半导体相向金属相的转变从而加快电荷传递过程,其剥离产物优异的机械性能又使得层状材料在柔性电容器的构筑上有显著的便利性。在催化方面,层状材料可实现丰富的结构纳米化来暴露更多的催化活性位点,其化学键的各向异性也使其易于进行应力调控来引入新的活性位点,其层间也可作为合成富活性晶面贵金属催化剂的反应腔。此外,层状材料还用于其它柔性器件及新的电池系统如锂硫、锂空气电池。目前层状材料的应用也还受限于如何实现大规模、高质量合成以及避免纳米化过程中的二次堆叠及团聚等。

该综述工作最近发表在Small上 (DOI: 10.1002/smll.201701649)。这一系统的总结性工作不仅有助于读者更好的理解层状材料在能源存储于转换中的构效关系,更为如何拓展层状材料的应用及进一步优化层状材料的使用性能提供了指导。