新型二維納米材料在電化學領域的應用

劉銳

摘 要：很多人對新型二維納米材料還很陌生，它是指在同一維度上尺寸在0.1～100nm，而在其他兩個維度可以無限延伸的新型材料。新型二維納米材料最具代表性的是石墨烯，石墨烯擁有獨特的機構以及良好的電子特性，并且其在電化學領域的潛能是十分巨大的。本文主要闡述了新型二維納米材料在電化學領域的應用及研究現狀。

關鍵詞：新型二維納米材料 電化學 應用

中圖分類號：O646 文獻標識碼：A 文章編號：1672-3791（2018）04（c）-0097-02

隨著科技的發展，到目前為止新型納米材料以及發展到將近30種。按照材料組成和結構分類，可將現階段二維納米材料分為五類：金屬化合物類、單質類、無機化合物類、有機框架類、鹽類。新型二維納米材料具有獨特的性能其在電化學領域的極高應用，本文主要分析了新型二維納米材料在電化學各領域的研究情況及相關應用。

1 新型二維納米材料在電化學能源存儲領域應用

1.1 鋰離子電池領域應用

鋰離子電池與傳統電池相比具有高工作電壓、高能量密度、高功率密度、低放電速率等優點，它現在已在眾多領域被應用。隨著科技的發展，各行業對鋰離子電池的需求也在增長，為了推動社會更快地發展，要求我們要研發出更先進的鋰離子電池。新型二維納米材料具有更為豐富的充足的吸附位點和更短Li+擴散路徑，它在鋰離子電池的研究創新中具有廣闊前景。

目前研究的應用鋰離子電池中的二維納米材料主要有以下幾種：第一類是石墨烯，其研究較為廣泛，其優點是具有較好的導電性及大的比表面積，它作為鋰離子電池負極材料能夠提供較高的比容量、倍率特性及循環性能；第二類是 TMDs，TMDs具有類石墨烯的層狀結構，剝離簡單，有助于Li+在電極中的擴散，但由于 TMDs材料存在導電性差問題，在應用中往往是結合導電材料來提高其電化學性能；第三類是二維過渡金屬碳化物，其具有低的工作電壓、金屬導電性、窄的擴散層，在鋰離子電池中擁有良好的倍率性能，但MXenes材料容易堆成，其作為鋰離子電池電極時容易引發結構崩塌，所以在應用中其常與其他材料復合來提高其電化學性能；第四類是四甲氧基硅烷簡稱TMOs，TMOs擁有多種電化學反應活性位點及較短的Li+擴散路徑，其缺點就是單獨二維納米片不能堆疊降低了活性比表面積，但可通過導電碳材料與其復合解決此問題。

1.2 超級電容器領域應用

超級電容器別名為電化學電容器，其特點是充電時間段、功率密度高、壽命長、綠色環保等。超級電容器按照能源儲存機制不同劃分為兩類：基于離子吸附的雙電層電容器和基于電極表面的氧化還原反應的贗電容電容器。但現在超級電器發展還有一定困難如生產成本高、能量密度低等。新型二維納米材料有助于超級電容器研究創新，因為納米材料的原子層厚度和大比表面積使其具有更多電化學活性位點，這有有利于電化學反應及電子傳遞，同時納米材料還具有伸展性、透明性、穩定性等特點，這些特點也滿足了部分超級電容器需要。

現在應用在超級容器領域的新型二維納米材料主要有石墨烯：但經過試驗石墨烯容量低于理論值，現在提高石墨烯電容的方法包括組裝3D結構、片層活化等，由于石墨烯具有獨特的柔韌性，所以其常常被用于可穿戴電容器上。還有其他的二維納米材料在超級電容中都有研究如二維過渡金屬碳化、TMDs、TMOs、MOF、石墨塊等。電容器件的發展方向是微型化和可穿戴化，新型二維納米材料具有加強的電化學性能和高機械強度，這些特性促進了新型二維納米材料在超級電容器領域的應用。

2 新型二維納米材料在電化學傳感器領域應用

（1）電化學傳感器具有成本低、效率高、操作簡單、靈敏度高等優點，現已被應用到食品、醫學、環境等多個領域。電化學傳感的應用原理是電極表面物質與被檢測物質二者間的電子傳遞產生電信號，這對電極材料要求要具有高導電率和高活性位。新型二維納米材料具有厚度薄、高導電性、豐富的表面活性位點等特點，所以其在電化學傳感領域擁有極大潛能。

（2）光電抗氧化檢測。人類為什么會生病呢？這就與人體內的氧化活性物質有關，現在人類疾病呈現復雜化的情況，尋找到檢測食物中抗氧化劑含量的方法具有重大意義。新型光電抗氧化檢測具有高效、簡單、準確等特點，目前通過新型二維納米材料用作光電檢測材料，并通過實驗成功的檢測到茶水中抗氧化檢測。

二維納米材料能夠實現光和電的一起反應，可有效檢測出抗氧化劑含量。目前，光電化學催化劑由于它固有帶隙不能適合全部的抗氧化劑，所以通過合理的易原子摻雜等方法來調控其能帶是實現光電化學傳感器響應快捷的核心。

3 新型二維納米材料在電催化領域的應用

3.1 電催化析氧

電催化析氧簡稱OER，它是燃料電池、電解水等新型可持續能源體系中反應的核心。科學家在研究發現二氧化銥和氧化釕擁有良好的OER催化性能，但其弊端是價格昂貴限制了其發展，所以OER發展研究的方向就是研發高效、穩定的非金屬基的催化劑。經過多年研究發現層狀雙金屬氫氧化物（LDHs）具有大的層間比表面積、價格較低、制備方法簡單等特點，其在OER中呈現出優良的性能。目前，研究發現NiFe-LDHs在OER中表現出了良好的穩定性和活躍性，但是NiFe-LDHs存在導電性較差而且容易聚集的特性，影響了活性位點的作用發揮，這就需要導電性更好的基底做支撐、硒化等，進而提高其催化活性。

二維LHDs和二維TMDs與貴金屬基OER催化劑相比，具有成本低、合成方法簡單等特點。現在過渡金屬基催化劑在OER上的性能可與貴金屬基催化劑相比美，其也將納入高效的OER材料之列。還有其他的新型二維納米材料也表現出高效的催化性能如MOF、CO3O4、Ni3N等材料。全電池電解水時，HER和OER必須在同一pH體系電解液中具有高催化活性，但是大部分HER催化劑僅能在酸性條件下呈現出高催化活性，但OER的高效催化劑在堿性條件下有效。所以，創新研究擁有更寬pH響應的高效HER、OER新型二維納米材料催化劑是電池電水解的發展關鍵。

3.2 電催化析氫

氫氣是一種清潔環保、可持續的能源載體，氫氣自身具有極高的能量密度，它被世界公認為最具潛力替代傳統燃料的選擇之一。制氫的技術有很多種，其中電解水制氫（HER）技術是最受研究者關注的，因為該技術具有電解技術清潔環保、產出的氫質量好等優點。現在，最高效的電解水制氫的電催化劑是Pt基金屬，但是由于Pt儲備較少加上價格昂貴，大大的限制了Pt在HER的實際應用。基于此情況，迫使我們需要尋找到量大、價低、高效的電催化材料成為了HER發展的關鍵。現在非金屬基的電催化劑中，原子層厚度的二維納米材料能夠暴露出更多的活性位點，其被廣泛的應用到了HER研究中。經過多年研究發現，TMDs中MoS2具有與Pt基金屬相近的氫鍵能而且價格較低，其目前成為HER研究較多的材料。雖然現在有很多新型二維納米材料用于析氫放應，但是還沒有發現一種適合替代貴金屬催化劑，對HER可規模生產、環保節能、穩定性高、Ph響應范圍寬的代替材料。

4 結語

新型二維納米材料具有極高的比表面積、導電性能和優異的機械性能，已在多個領域內得到廣泛應用實踐，同時它也是電化學領域最理想的新型材料，目前對新型二維納米材料在電化學領域的應用開展了大量的理論、實踐研究，經過多年努力取得了顯著效果，充分證明了新型二維納米材料在電化學領域應用的無線前景，

參考文獻

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