限域合成二维纳米能源材料

新型清洁能源的生产、转换和储存,成为21世纪最关键的科学问题之一。为了能够高效利用清洁可再生能源,特别是间歇性能源,能源转换和储存设备的开发一直受到世界各国的关注。虽然这些目标是设立在宏观设备应用,甚至是地球能源可持续利用和环境改善上,但其关键基础科学和技术的突破却来自于电化学能源存储与转换新材料的研发,包括对材料的精准合成和结构的精确控制。二维纳米材料因其具有高比表面积、独特的结构和丰富的物理化学性能在电化学领域引起了广泛的研究。当前对二维纳米材料的可控制备包括“自上而下”的剥层策略,比如机械力剥层、液相剥层、化学/电化学离子嵌入剥层等;以及“自下而上”的合成策略,包括化学气相沉积(CVD)、湿化学法合成、层间/表面限域合成等。其中限域合成策略因其可以在纳米尺度空间内实现对材料前体种类、浓度、排布方式等的精细控制,为有效调控材料成核生长过程、控制材料维度和尺寸、以及构建新型纳米复合结构及特异功能材料提供了新的途径。

最近,北京化工大学邵明飞教授和卫敏教授,以及香港城市大学张华教授合作发表了关于限域合成二维纳米能源材料的综述文章。他们详细归纳总结了以层状材料作为“纳米反应器”可控限域合成二维结构纳米材料的最新研究进展。作者首先将二维限域合成分为了“层间限域合成”和“表面限域合成”,例如石墨、水滑石(LDHs)、蒙脱土(MMT)等材料由于层间具有开放的二维通道并且表面上通常含多种官能团或暴露多种活性位点,可以将反应物限域在其层间或表面,可控合成目标产物。进而详细介绍了前人基于限域合成策略制备二维纳米能源材料的研究工作,包括以LDHs或石墨烯等作为纳米反应器,层间&表面限域制备二维金属纳米片(如Au, Sn, Ag)、二维金属化合物纳米片(氧化物、硫化物和氯化物)、二维碳基纳米材料、二维导电聚合物纳米片(如PPy)、二维金属有机框架化合物纳米片(MOFs)、以及二维氮化物等。随后,他们详细介绍了基于限域合成策略所制备的二维纳米材料在系列电催化反应,包括电催化氧化反应(如电催化分解水析氧反应(OER)和小分子电催化氧化反应(乙醇、甲酸、水合肼)),以及电催化还原反应(如电催化分解水析氢(HER)和电催化氧还原(ORR))等领域的研究进展。最后,他们对限域合成制备二维纳米能源材料的未来研究方向和研究重点进行了展望。相关论文在线发表在Advanced Energy Materials (DOI:10.1002/aenm.201900486)上。该文的第一作者为北京化工大学在读博士生栗振华,通讯作者为北京化工大学邵明飞教授、卫敏教授、与香港城市大学(原新加坡南洋理工大学)张华教授。