学术干货|二维材料在新能源领域的应用

yuyuyu 8年前 (2016-10-10) 24605浏览

什么是二维材料？

随着石墨烯的发现，二维材料也被作为新名词提出。那么什么是二维材料呢？二维材料即电子仅可在两个维度的非纳米尺度（1-100nm）上自由运动（平面运动）的材料，如纳米薄膜、超晶格和量子阱。典型的二维材料有：石墨烯（导体）、二硫化钼（半导体）、氮化硼（绝缘体）等。

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图1 用于能源存储的石墨烯类似物的结构

二维材料的性能

众所周知，二维材料拥有高的比表面积。同时，二维材料以其优越的电子传输性能、光学特性、热学特性等特能得以在储能领域广泛应用。例如，二维氧化材料应用于电解液时，几乎所有的电子都可以参加反应，提高了电极材料的储存性能，在超级电容器方面有极大的潜力。

表1 常见石墨烯类似物的性质

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想更多的了解二维材料的性能，可参见：（微信读者请跳转到原网页后点击超链接）

若干二维材料表界面性能及应用的第一原理研究

二维材料中的缺陷及其拓扑、几何效应

几种二维材料的弹性性能和强度的研究

二维材料在新能源领域的应用

（1）超级电容器

超级电容器以其高能量密度、快速的充放电性能、运行的稳定性，无疑成为解决储能问题的最佳选择。为了适应便携式电子器件的发展，具有柔性，甚至是平面性的超级电容器迅速发展。而二维层状的结构材料成为最佳选择。二维材料做电极材料的电容器拥有很好的机械性能，不仅能任意卷曲、折叠，而且，不会造成明显的性能损失。下面列举了一些材料在三类超级电容器中的应用，在本小节末尾附上了详细的参考文献，希望对大家有所帮助。

干货6 图2 双电层电容器

由于GAs的高电子电导率，其在超级电容器中的应用很有前景。但是MoS₂和WS₂之类的半导体GAs电导率相对较低，因此不利于其应用于超级电容器电极。

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图3 赝电容器

在应用于赝电容器的众多材料中，TMOs和TMHs由于其高理论容量、化学稳定性、与电解液的高相容性以及易于制备等特点受到广泛关注。

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图4 分别基于二硫化钼和二硫化钒的超级电容器

化学剥离法制备的金属型二硫化钼具有较高的导电性，体积比电容可以达到400-700 F cm⁻³。高导电性的二硫化钒比电容可以达到4760 µF cm⁻²，并且具有良好的循环性能。

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图5 二维过渡金属碳化物用于超级电容器

原位聚合吡咯与二维过渡金属碳化物所形成的复合物展示出优异的电化学性质：体积比电容可以达到1000 F cm⁻³，并且循环25000次以上仍能保持90%以上。这种良好的性能可以归结为两种材料之间的协同效应。

附：

二维石墨烯和准二维类石墨烯在全固态柔性超级电容器中的应用

（2）电池

二维材料优异的导电性、高比表面积和层状材料性质可应用于电池的正负极材料中。当应用于正极材料时，既可以提高电极材料的导电性，又可以包裹正极纳米颗粒；加入负极材料中，也可大幅提高电池的性能，在目前也是主要研究的一个方向。二维材料在电池中的应用，提高了电池的倍率性能、一致性和寿命等综合性能。但是，二维材料在电池领域的应用效果并没有所追捧的那么理想，我们应该理性的看待二维材料的发展，不能盲目的追捧。

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图6 二硫化钼/硫掺杂的石墨烯复合物用于锂离子电池

通过溶剂热处理法制备的二硫化钼/硫掺杂的还原氧化石墨烯复合物，在进一步热处理之后，可以用于锂离子电池材料中。在高电流密度的条件下（10 A g⁻¹），展示出较高的比容量（915 mA h g⁻¹）和良好的循环性能。

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图7 磷烯/石墨烯的复合物用于钠离子电池

磷烯自身的理论比容量为2596 mA h g⁻¹。通过溶液法制备的磷烯/石墨烯复合物可以用于钠离子电池材料当中，由于两种材料之间的协同效应，该复合材料的比容量可以达到2440 mA h g⁻¹。

二维材料面对的主要问题

如今二维材料面对的主要问题是如何廉价的生产均一、无缺陷的二维薄层。现有适用于生产二维材料的方法不是耗时就是材料制备昂贵，并没有可应用于大规模制备的技术。二维材料在能源领域的应用还有很大的发展空间，其综合性能还有待提高。

部分科学家的研究贡献

随着二维材料研究的逐渐深入，我国很多科研人员都有了一定的发现和突破：2014年，中国科技大学陈仙辉教授课题组与复旦大学张远波教授、封东来教授和吴骅教授课题组合作，成功制备出基于具有能隙的二维黑磷场效应晶体管；2015年，纳米牛人杨培东团队成功利用溶液生长出二维片状有机-无机杂化钙钛矿，这种超薄片层结构稳定、面积大，且为正方形，同时具备高效的光致发光性、颜色可调以及独特的结构弛豫，为未来电子设备的发展提供了新的可能；还有青千鲍桥梁教授，堪称二维材料世界追梦人，证实了基于石墨烯克尔非线性的光学双稳态现象，为基于石墨烯的纯光计算器件提供了重要的实验和理论基础；发展了一系列适用于脉冲激光器的新型二维饱和吸收体材料，并搭建出高性能实用化的石墨烯脉冲激光器原型机等。

以上仅罗列出代表性人物，还有很多的科研工作者在此领域做出了很多贡献，深表敬佩。

近期相关领域的发现

1、超级电容器：自支撑石墨烯瓣状泡沫上生长分级镍钴氢氧化物瓣片结构的高能量不对称超级电容器

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)

美国普渡大学Timothy S. Fisher等人利用微波等离子体化学沉积技术（MPCVD），制备了自支撑的瓣状石墨烯泡沫上的具有分级结构的Ni-Co氢氧化物瓣片复合材料，将其用作不对称电容器。这种电容器的比电容高达765 F cm−3，平均最大能量密度为10 mWh cm−3 ，平均最大功率密度为3 W cm−3,全电容保持循环次数超过15000次。

2、国家纳米科学中心-异质结：基于MoTe2/MoS2的配置依赖型电学可调范德瓦尔斯异质结

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

国家纳米科学中心何军教授等人设计了两个非对称配置的MoTe2/MoS2范德瓦尔斯异质结器件，通过比较发现，器件结构对整流行为和光伏效应中的开启电压没有影响；而漏电流、短路电流和光响应性能对器件配置有很强的依赖性。该工作为研究范德瓦尔斯异质结的内在性质和优化器件结构性能提供了指导性原则。

3、二维过渡金属硫化物（TMDs）在光电器件领域的最新进展

http://www.cailiaoniu.com/32741.html

4、二维材料和范德华异质结

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

英国曼彻斯特大学的K. S. Novoselov（通讯作者）和新加坡国立大学的 A. H. Castro Neto（通讯作者）等人综述了包括石墨烯、氮化硼、过渡金属硫化物和黑磷等新型二维晶体材料的特性，并讨论了如何将它们的这些特性应用到新型异质结器件中去。该项工作对二维材料异质结器件的发展方向做出了合理的预测和评估，对微纳器件的发展具有重要的意义。

5、复旦大学&人工微结构科学与技术协同创新中心——可应用于能源和信息领域的二维磷氧化物

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

复旦大学和人工微结构科学与技术协同创新中心的向红军教授（通讯作者）等人从理论上探讨2D磷氧化物的结构和性能。研究发现，PxOy的结构特征随氧含量的变化而变化。当氧含量低，最稳定的PxOy材料可以通过亚磷吸附氧原子而得到。否则，稳定的结构不再基于亚磷，而将会包含P-O-P基元。进一步研究发现，P4O4具有直接带隙结构（约2.24电子伏特），而且具有良好的光学吸收性能，在水中也具有较高的稳定性，因此它可能适合用于光化学分解水。P2O3采用垂直电极化和平行于横向平面电极化的方式，具有两种可能的稳定的铁电结构（P2O3-I和P2O3-II），这两种结构分别取决于层的厚度而作为最低能量的结构。他们提出P2O3能够应用于新的纳米级多态存储设备中。

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)

由于篇幅关系，在此仅罗列出几个代表性的突破发现和文献，更多的文献资料大家可以登录材料牛相关网页查阅、下载，链接见附。本文主要参考：2D Materials Beyond Graphene for High-Performance。

附：

Adv. Mater.最新文献快讯专题二维材料综述盛宴（8.3更新）

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