學術干貨|二維材料在新能源領域的應用

yuyuyu 7年前 (2016-10-10) 23194瀏覽

什么是二維材料？

隨著石墨烯的發現，二維材料也被作為新名詞提出。那么什么是二維材料呢？二維材料即電子僅可在兩個維度的非納米尺度（1-100nm）上自由運動（平面運動）的材料，如納米薄膜、超晶格和量子阱。典型的二維材料有：石墨烯（導體）、二硫化鉬（半導體）、氮化硼（絕緣體）等。

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圖1 用于能源存儲的石墨烯類似物的結構

二維材料的性能

眾所周知，二維材料擁有高的比表面積。同時，二維材料以其優越的電子傳輸性能、光學特性、熱學特性等特能得以在儲能領域廣泛應用。例如，二維氧化材料應用于電解液時，幾乎所有的電子都可以參加反應，提高了電極材料的儲存性能，在超級電容器方面有極大的潛力。

表1 ?常見石墨烯類似物的性質

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想更多的了解二維材料的性能，可參見：（微信讀者請跳轉到原網頁后點擊超鏈接）

若干二維材料表界面性能及應用的第一原理研究

二維材料中的缺陷及其拓撲、幾何效應

幾種二維材料的彈性性能和強度的研究

二維材料在新能源領域的應用

（1）超級電容器

超級電容器以其高能量密度、快速的充放電性能、運行的穩定性，無疑成為解決儲能問題的最佳選擇。為了適應便攜式電子器件的發展，具有柔性，甚至是平面性的超級電容器迅速發展。而二維層狀的結構材料成為最佳選擇。二維材料做電極材料的電容器擁有很好的機械性能，不僅能任意卷曲、折疊，而且，不會造成明顯的性能損失。下面列舉了一些材料在三類超級電容器中的應用，在本小節末尾附上了詳細的參考文獻，希望對大家有所幫助。

干貨6 圖2 ?雙電層電容器

由于GAs的高電子電導率，其在超級電容器中的應用很有前景。但是MoS₂和WS₂之類的半導體GAs電導率相對較低，因此不利于其應用于超級電容器電極。

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圖3?贗電容器

在應用于贗電容器的眾多材料中，TMOs和TMHs由于其高理論容量、化學穩定性、與電解液的高相容性以及易于制備等特點受到廣泛關注。

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圖4?分別基于二硫化鉬和二硫化釩的超級電容器

化學剝離法制備的金屬型二硫化鉬具有較高的導電性，體積比電容可以達到400-700 F cm^?³。高導電性的二硫化釩比電容可以達到4760 ?μF cm^?²，并且具有良好的循環性能。

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圖5?二維過渡金屬碳化物用于超級電容器

原位聚合吡咯與二維過渡金屬碳化物所形成的復合物展示出優異的電化學性質：體積比電容可以達到1000 F cm^?³，并且循環25000次以上仍能保持90%以上。這種良好的性能可以歸結為兩種材料之間的協同效應。

附：

二維石墨烯和準二維類石墨烯在全固態柔性超級電容器中的應用

（2）電池

二維材料優異的導電性、高比表面積和層狀材料性質可應用于電池的正負極材料中。當應用于正極材料時，既可以提高電極材料的導電性，又可以包裹正極納米顆粒；加入負極材料中，也可大幅提高電池的性能，在目前也是主要研究的一個方向。二維材料在電池中的應用，提高了電池的倍率性能、一致性和壽命等綜合性能。但是，二維材料在電池領域的應用效果并沒有所追捧的那么理想，我們應該理性的看待二維材料的發展，不能盲目的追捧。

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圖6 二硫化鉬/硫摻雜的石墨烯復合物用于鋰離子電池

通過溶劑熱處理法制備的二硫化鉬/硫摻雜的還原氧化石墨烯復合物，在進一步熱處理之后，可以用于鋰離子電池材料中。在高電流密度的條件下（10 A g^?1），展示出較高的比容量（915 mA h g^?1）和良好的循環性能。

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圖7?磷烯/石墨烯的復合物用于鈉離子電池

磷烯自身的理論比容量為2596 mA h g^?¹。通過溶液法制備的磷烯/石墨烯復合物可以用于鈉離子電池材料當中，由于兩種材料之間的協同效應，該復合材料的比容量可以達到2440 mA h g^?¹。

二維材料面對的主要問題

如今二維材料面對的主要問題是如何廉價的生產均一、無缺陷的二維薄層。現有適用于生產二維材料的方法不是耗時就是材料制備昂貴，并沒有可應用于大規模制備的技術。二維材料在能源領域的應用還有很大的發展空間，其綜合性能還有待提高。

部分科學家的研究貢獻

隨著二維材料研究的逐漸深入，我國很多科研人員都有了一定的發現和突破：2014年，中國科技大學陳仙輝教授課題組與復旦大學張遠波教授、封東來教授和吳驊教授課題組合作，成功制備出基于具有能隙的二維黑磷場效應晶體管；2015年，納米牛人楊培東團隊成功利用溶液生長出二維片狀有機-無機雜化鈣鈦礦，這種超薄片層結構穩定、面積大，且為正方形，同時具備高效的光致發光性、顏色可調以及獨特的結構弛豫，為未來電子設備的發展提供了新的可能；還有青千鮑橋梁教授，堪稱二維材料世界追夢人，證實了基于石墨烯克爾非線性的光學雙穩態現象，為基于石墨烯的純光計算器件提供了重要的實驗和理論基礎；發展了一系列適用于脈沖激光器的新型二維飽和吸收體材料，并搭建出高性能實用化的石墨烯脈沖激光器原型機等。

以上僅羅列出代表性人物，還有很多的科研工作者在此領域做出了很多貢獻，深表敬佩。

近期相關領域的發現

1、超級電容器：自支撐石墨烯瓣狀泡沫上生長分級鎳鈷氫氧化物瓣片結構的高能量不對稱超級電容器

Hierarchical Ni–Co Hydroxide Petals on Mechanically Robust Graphene Petal Foam for High-Energy Asymmetric Supercapacitors?(Adv. Funct. Mater., 2016, DOI: 10.1002/adfm.201600879)

美國普渡大學Timothy S. Fisher等人利用微波等離子體化學沉積技術（MPCVD），制備了自支撐的瓣狀石墨烯泡沫上的具有分級結構的Ni-Co氫氧化物瓣片復合材料，將其用作不對稱電容器。這種電容器的比電容高達765 F cm?3，平均最大能量密度為10 mWh cm?3 ，平均最大功率密度為3 W cm?3,全電容保持循環次數超過15000次。

2、國家納米科學中心-異質結：基于MoTe2/MoS2的配置依賴型電學可調范德瓦爾斯異質結

Configuration-Dependent Electrically Tunable Van der Waals Heterostructures Based on MoTe2/MoS2(Adv. Funct. Mater., 2016, DOI: 10.1002/adfm.201601349)

國家納米科學中心何軍教授等人設計了兩個非對稱配置的MoTe2/MoS2范德瓦爾斯異質結器件，通過比較發現，器件結構對整流行為和光伏效應中的開啟電壓沒有影響；而漏電流、短路電流和光響應性能對器件配置有很強的依賴性。該工作為研究范德瓦爾斯異質結的內在性質和優化器件結構性能提供了指導性原則。

3、二維過渡金屬硫化物（TMDs）在光電器件領域的最新進展

http://www.szccc.org/32741.html

4、二維材料和范德華異質結

2D materials and van der Waals heterostructures（Science，2016，DOI: 10.1126/science.aac9439）

英國曼徹斯特大學的K. S. Novoselov（通訊作者）和新加坡國立大學的 A. H. Castro Neto（通訊作者）等人綜述了包括石墨烯、氮化硼、過渡金屬硫化物和黑磷等新型二維晶體材料的特性，并討論了如何將它們的這些特性應用到新型異質結器件中去。該項工作對二維材料異質結器件的發展方向做出了合理的預測和評估，對微納器件的發展具有重要的意義。

5、復旦大學&人工微結構科學與技術協同創新中心——可應用于能源和信息領域的二維磷氧化物

Two-Dimensional Phosphorus Oxides as Energy and Information Materials?（Angew. Chem. Int. Ed.，2016，DOI: 10.1002/anie.201602295）

復旦大學和人工微結構科學與技術協同創新中心的向紅軍教授（通訊作者）等人從理論上探討2D磷氧化物的結構和性能。研究發現，PxOy的結構特征隨氧含量的變化而變化。當氧含量低，最穩定的PxOy材料可以通過亞磷吸附氧原子而得到。否則，穩定的結構不再基于亞磷，而將會包含P-O-P基元。進一步研究發現，P4O4具有直接帶隙結構（約2.24電子伏特），而且具有良好的光學吸收性能，在水中也具有較高的穩定性，因此它可能適合用于光化學分解水。P2O3采用垂直電極化和平行于橫向平面電極化的方式，具有兩種可能的穩定的鐵電結構（P2O3-I和P2O3-II），這兩種結構分別取決于層的厚度而作為最低能量的結構。他們提出P2O3能夠應用于新的納米級多態存儲設備中。

2、Liquid ecfoliation of layered matreials（Science）

3、Synthesis of Two-Dimensional Materials for Capacitive Energy Storage（Adv. Mater）

4、Solution-Processed Two-Dimensional Metal Dichalcogenide-Based Nanomaterials for Energy Storage and Conversion（Adv. Mater）

5、Stable 16.2% Efficient Surface Plasmon-Enhanced Graphene/GaAs Heterostructure Solar Cell（Adv. Energy Mater., 2016, DOI: 10.1002/aenm.201600822）

6、All-MXene (2D titanium carbide) solid-state microsupercapacitors for on-chip energy storage?(Energy Environ. Sci., 2016, DOI: 10.1039/C6EE01717G)

由于篇幅關系，在此僅羅列出幾個代表性的突破發現和文獻，更多的文獻資料大家可以登錄材料牛相關網頁查閱、下載，鏈接見附。本文主要參考：2D Materials Beyond Graphene for High-Performance。

附：

Adv. Mater.最新文獻快訊專題二維材料綜述盛宴（8.3更新）

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