InfoMat:激光辐照构建电化学储能和转换纳米材料:进展和挑战

随着人们对能源危机和环境污染的日益关注,化石能源的快速消耗已成为当前世界面临的重大挑战。近年来,基于电化学的新型储能转换装置的开发,如可充电电池、超级电容器、电催化等,对解决上述问题具有重要意义。虽然上述器件具有不同的工作机制,但所有新型储能转换装置的电化学性能和可靠性主要受所涉及的电化学活性材料的限制。因此,合理设计和合成先进材料对新型储能转换装置的发展具有重要意义。

在过去的几十年里,纳米科技得到了迅速的发展,并在几乎所有能源相关的领域得到了广泛应用。可以通过有目的地调节纳米材料的结构和组成来提高电化学动力学性能。通过合理的设计和合成方案,实现可控制备不同结构、尺寸和组成的纳米材料,从而形成组成-结构-性能之间的关系。然而,纳米材料合成的发展仍然面临着许多挑战。传统的纳米材料合成策略总是耗时耗力,且可控性较差。因此,迫切需要一种简便、经济、快速的高性能电化学能量存储和转换纳米材料合成策略。

近年来,激光辐照合成技术作为一种将“纳米技术”与“光”巧妙地结合起来的有效方法,受到了世界各国学者的广泛关注,在调节材料表面和电子结构方面前景广阔。与传统的热处理技术不同,激光辐照合成是基于脉冲激光束诱导的光热效应,在特定的位置进行激光辐照后快速冷却。热效应可以通过所应用的激光参数(频率、脉冲宽度和激光强度)来调整。激光辐照合成的主要优点是其所涉及的时间和位点特异性光热效应的简捷性,可以快速获得低能耗的纳米材料。快速的加热和冷却速率(>106 ºC s-1)可以产生特定的反应条件,精确地调节合成材料的特定表面/界面和微观结构。

近期,济南大学原长洲教授团队在InfoMat上详细综述了基于电化学的激光诱导电化学能量存储和转换纳米材料的研究进展。首先概述了激光辐照法的研究历史、分类、优势和基本原理,包括所涉及微/纳米结构产生和修饰的机制。其次,综述了激光诱导电化学能量存储和转换纳米材料在可充电电池、超级电容器和电催化方面的实际应用,包括缺陷和/或杂原子的可控引入、外延生长在适当的衬底上、以及异质结构的精细制备。最后,阐述了激光辐照法在电化学能量存储和转换领域面临的挑战,并提出了未来的发展方向。这一综述将对未来的设计和有目的制备先进的激光诱导纳米材料提供重要的指导。该工作在InfoMat上以题为“Laser Irradiation Construction of Nanomaterials towards Electrochemical Energy Storage and Conversion: Ongoing Progresses and Challenges”在线发表。 我们摘取了文章里的几部分重点给大家做个介绍:

1、激光辐照法

1.1、激光辐照法的发展历史 

图1 各种激光辐照法的发展年表和2000年至今采用各种激光辐照法出版文章的数量统计。

1.2、激光辐照法的原理

脉冲激光沉积作为一种物理气相沉积技术,被认为是一种可扩展和通用的薄膜生长途径。脉冲激光沉积系统主要由激光源、光路系统、沉积室、真空系统和气路系统组成,如图2A所示。激光诱导的纳米材料通常直接沉积在衬底上。因为激光源放置在沉积室之外,沉积过程是在超高真空或背景气氛的存在下进行的。与脉冲激光沉积相比,液相激光辐照(图2C)加速了纳米材料的形成,并且只需要简单的前驱体和设备(只需要一个固定板,水或溶液)。液相环境不仅为激光辐照合成提供了一些高度可控的参数,而且极大地影响了激光诱导纳米材料的形貌和微观结构。此外,液相激光辐照还具有副产物生成减少、不需要催化剂的优点。 

图2 脉冲激光沉积(A)和液相激光辐照法(C)的装置图和优缺点(B)。

2、激光诱导纳米材料的结构调控与应用

电化学能量的储存和转换通常是由碳基材料、过渡金属化合物(氧化物/硫化物/氮化物/碳化物)和金属纳米晶体等电极材料通过电子驱动的电化学反应。激光辐照法作为一种简单、可扩展、通用的方法,已被广泛用于设计和合成多功能纳米材料。激光诱导纳米材料的特定结构和性能可以精确调控。本文全面综述了用于电化学能量存储和转换(可充电电池、超级电容器和电催化)的激光诱导纳米材料的最新进展及其突出的优点。这将为高性能电化学能量存储和转换的先进激光诱导纳米材料的合理设计和制备提供重要的指导。

2.1、激光诱导纳米材料在可充电电池方面的应用

可充电电池由于具有高能量密度、长循环寿命、可持续性和环境友好性的优点,其不断发展对电化学能量存储和转换非常重要。在可充电电池中,锂离子电池、钠离子电池、锌离子电池和金属空气电池受到了越来越多的关注。然而,一些关键问题制约着它们的进展,包括低容量、较差的循环寿命和缓慢的反应动力学。此外,固有的反应机制导致体积变化大、电化学动力学迟缓,这对电化学性能的改善极为不利。因此,可控调节电极材料以缓解体积变化、促进电化学反应成为可充电电池领域的主要研究课题之一。激光诱导纳米材料在精确而简单的结构控制方面的优点为研究结构与性能之间的内在关系提供了可靠而突出的平台(图3)。

图3 激光诱导纳米材料在可充电电池方面的应用

2.2、激光诱导纳米材料在超级电容器方面的应用

高功率密度超级电容器作为一种高效的能量存储系统,因其在电化学储存和转换中的潜在应用引起了全世界范围内的广泛关注。超级电容器具有结构简单、安全、充放电响应快、可靠性高、功率密度高、寿命长等独特优点,在某些领域可以作为可充电电池的替代品。然而,其固有的低能量密度阻碍了其实际应用。因此,合理设计和调控电极材料以提高超级电容器的电荷存储能力成为研究的主要方向。

迄今为止,各种超电容材料,如碳材料、过渡金属化合物和导电聚合物得到了广泛的研究。但超级电容器电极材料的合成大多采用常规合成方法,通常耗时能耗。激光辐照法作为一种简单而高效的材料加工策略,已被广泛用于可控构筑具有特定结构的电极材料(图4)。 

图4 激光诱导纳米材料在超级电容器方面的应用

2.3、激光诱导纳米材料在电催化方面的应用

电催化是指能促进电催化剂表面电化学反应的多相催化过程。一般来说,电催化中与能源相关的应用是水循环,它涉及一系列与氢和氧相关的电化学过程,包括水分解和燃料电池。然而,由于电催化反应中的多电子转移过程,其较低的动力学严重限制了电化学能量存储和转换器件的性能。因此,能够从根本上加速电催化反应的合适电催化剂已经得到了广泛的研究。最近,激光辐照技术已经被证实是一种强有力的方法来调节电催化材料以增强催化性能,包括结构缺陷、异质结构和新的电极设计(图5)。

图5 激光诱导纳米材料在电催化方面的应用该工作发表在InfoMat(DOI:10.1002/inf2.12218)上。

个人简介

原长洲:济南大学材料科学与工程学院教授,博士生导师,山东省“泰山学者特聘教授”,济南市C类人才(省级领军人才),安徽省杰出青年基金和安徽省技术领军人才获得者。2016 ‒ 2020连续入选科睿唯安“全球高被引科学家”和爱思维尔“中国高被引学者”榜单。获教育部自然科学奖二等奖和安徽省青年科技奖各一项。秉承“料要成材,材可成器,器之有用”的研究理念,聚焦电化学存储与转换领域前瞻性课题和关键技术难题,致力于关键材料精准合成、结构-组分/功能调控、内在储电/转换机制,及器件设计、构建与优化等应用基础研究。迄今,以第一/通讯作者身份已在Angew. Chem. Int. Ed.Adv. Energy Mater.Adv. Funct. Mater.Energy Environ. Sci.Mater. TodayMater. Horiz.Green Chem.等国际刊物上发表SCI学术论文120余篇。个人H-index为56。申请中国发明专利20余项。部分研究成果已经在相关企业完成中试、检测及示范应用。现任InfoMatRare Metals学术刊物青年编委。

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