Advanced Energy Materials:三维纳米结构材料:构筑下一代高性能电化学能源器件的重要基石

当今人类社会的发展面临着前所未有的能源和地球环境的严峻前景。煤炭、石油、天然气等不可再生的化石燃料的持续大规模地开采和应用导致了日益严重的全球气候变化,生态环境恶化以及可预见的能源短缺等一系列挑战。因此,大力发展清洁、可再生能源对于应对这些挑战至关重要。众所周知,太阳能和风能是可再生能源的典型代表,但它们都具有间歇性特征。为了更加有效地利用这些间歇性能源来满足社会经济发展不断增长的能源需求,近年来人们致力于发展与之相匹配的高效电化学能转换和存储技术和器件,例如各种可充电电池、超级电容器和电化学燃料电池等。特别是在过去的十年中,纳米材料与技术被广泛地研究用于提高电化学能转换和存储器件的性能。

在众多纳米结构材料中,三维纳米结构材料被认为是构筑高性能器件的理想基础材料之一,并引起了广泛的关注。在电化学能转换和存储领域中,各种三维纳米结构材料已经被设计和制备用于提高电化学能源器件的能量转换和存储效率,并已经取得了显著的研究进展。但是从实际应用的角度上,基于三维纳米结构材料的电化学能源器件在能量转换效率、储能性能以及器件可靠性等方面还需要进一步地提升,并且需要不断地降低制造成本,这样才能够满足大规模应用的要求。近日,德国伊尔梅瑙工业大学的雷勇教授和赵华平博士系统地总结了三维纳米结构材料的发展及其在电化学能量转换与存储应用中的独特优势和所面临的挑战。作者认为通过对这些优势和挑战的全面分析和深入了解,将有助于进一步促进用于电化学能源器件的三维纳米结构材料的研究和发展,从而能够实现更高效的电化学能量转换和存储效率。作者首先概述了目前被广泛研究应用于电化学能源器件的各种三维纳米结构材料,紧接着系统总结和深入分析了这些三维纳米结构材料在电化学制氢,光电催化转化氮气、二氧化碳制备化学燃料,可充电金属离子电池,超级电容器等应用中的优势和挑战。最后,本文作者通过这些总结和分析提出了解决三维纳米结构材料在电化学能源器件领域广泛应用所需加强的研究重点,并对未来的发展方向进行了展望。

相关工作发表在Advanced Energy Materials(DOI: 10.1002/aenm.202001460)上。