Advanced Energy Materials:高度可控纳米结构在电化学能源存储与转化中的应用

利用可再生新能源并彻底解决传统化石能源消耗所引起的相关环境问题,对于建立一个稳定可持续的人类社会起到了至关重要的作用。电化学能源转换与存储在新能源技术中发挥了无与伦比的重要作用。为了充分替代目前的化石能源供应体系,新能源技术的电化学能源转换与存储效率需要持续不断的提高从而增强其市场竞争力。然而,电化学能源转换与存储通常涉及众多错综复杂的化学反应和物理作用。因为这些物理化学过程通常发生在电极与电解液的界面与内部,电极的材料与结构的选择将显而易见决定着相关物理/化学载体(比如,电子、空穴、离子、分子)的动力学与输运行为。因此,通过设计电极材料与结构来提高电化学能源转换与存储效率成为长久以来工业界和学术界的重要研究课题。

除了寻找合适的电极材料,目前许多研究团队将精力转移到了通过设计电极结构来提高能源转换与存储效率,特别是考虑到目前传统块体电极已经遇到了很大的性能瓶颈。在众多的手段中,电极纳米结构化展现出了无与伦比的技术优势,这些优势得益于材料在纳米尺度下所表现出的特有的物理化学性能:比如可控的表面原子比率将增大单位质量材料的表面积,而有序的空间排列则会提供快速的载体输运通道,这些都将提高相关的电化学反应活性。总的来讲,利用电极纳米结构化来增强电化学能源转换与存储包含四个重要的研究方向:纳米结构的尺寸与形貌控制、组合多种纳米结构合成异质结以及纳米结构单元的空间排布的设计。高度可控的尺寸与形貌为纳米结构的性能调控提供了巨大的空间,比如改变半导体带隙、载流子输运和化学势等;合成异质结与调控空间排布则有利于实现多种材料功能的结合、定向载体输运、纳米限域效应等。因此,实现高度可控的纳米结构将有助于理解能源转换与存储的电化学过程并借此优化器件性能。 有鉴于此,德国伊尔默瑙工业大学雷勇教授团队联合加拿大国立科学院孙书会教授团队与澳大利亚格里菲斯大学张山青教授团队,详细探讨了高度可控纳米结构在电化学能源转换与存储中的应用。首先,从影响物理载体输运与化学反应两个角度,概括了高度可控纳米结构参数(即尺寸、形貌、异质结构、空间排布)在能源存储与转化中的电化学中的影响。其次,总结了高度可控纳米结构的相关制备方法,包括光/颗粒刻蚀、扫描探针刻蚀、纳米压印、自组织、液相沉积、气相沉积和模板辅助生长等等。再次,选择电催化、光电催化、离子电池、超级电容器作为例证展示了高度可控纳米结构在能源转换与存储中的器件应用并详细论述了目前的研究进展。最后,针对未来研究重点和难点做了探讨,为进一步研究做了技术展望。相关结果发表在Advanced Energy Materials(DOI: 10.1002/aenm.202001537)上。