電化學領域中的新型二維納米材料應用

文昊

[摘 要]所謂的新型二維納米材料，是指在同一維度上其尺寸在0.1～100nm，而在其他另外兩個維度上可以無限延伸的新型材料。對新型二維納米材料而言，其中最具有代表性的就是石墨烯，其表現出較為獨特的結構，而且還具有良好的電子特性，在電化學領域具有巨大的應用潛力。主要探討了新型二維納米材料在電化學領域中的應用。

[關鍵詞]電化學;新型二維納米材料;應用

隨著科學技術和化學工業的不斷發展，各種各樣的化學材料被研究制備出來，對二維納米材料而言，最初的石墨烯經過不斷發展到了二十多種，根據不同的材料組成和結構，目前二維材料可以分為金屬化合物、單質類、有機框架類、無機化合物類以及鹽類等類型。石墨烯具有良好的機械性能、熱力學穩定性以及大比表面積等特點，相關研究者對新型二維納米材料的研究力度也在不斷地增加。新型二維納米材料因其具有的優異的特性，在電化學領域得到了廣泛的應用。

一、新型二維納米材料在電化學能源存儲領域中的應用

（一）在鋰電池上的應用

鋰離子電池具有高工作電壓、高功率密度以及低放電速率等特點，與傳統的電池相比較，其在社會各個領域中得到了廣泛的應用。隨著科技的不斷發展，社會各領域對鋰電子電池的需求也在不斷地增加，對鋰電子電池的性能要求也越來越高，這都促進了鋰電子電池的進一步研發，在這個過程中，新型二維納米材料因為具有較為充足的吸附位點以及更短地方擴散路徑，所以在鋰電子電池的研究中具有廣闊的應用前景。

當前鋰電子電池的研究，主要應用的二維納米材料有石墨烯，其具有較好的導電性和較大的比表面積，能為鋰電子電池的負極材料提供較高的比容量以及循環性能，所以得到廣泛的應用研究;其次還有具有類石墨烯的層狀結構的TMDs，可以幫助在電極中進行很好的擴散，但由于該材料具有較差的導電性，在實際的應用中往往是結合其他導電材料共同使用。

（二）在超級電容器領域中的應用

超級電容器具有功率密度高、壽命長、綠色環保等特點，也可以稱作為電化學電容器。但超級電容器的發展也遇到一些生產成本高、能量密度低等問題，在該領域主要應用的新型二維材料有石墨烯以及其他二維過度金屬碳化、TMDs、石墨塊等材料。這些材料都具有較強的電化學性能以及高機械強度，對超級電容器的研究具有一定的促進作用。

二、在電化學傳感器領域的應用

（一）光電抗氧化檢測方面應用

在人類健康方面，體內的氧化活性物質與各種疾病的發生具有很大的關系，通過利用光電抗氧化檢測進行高效、快速而準確的檢測，具有重大的意義，而將新型二維納米材料用作于光電檢測材料，通過相應的實驗證明了其良好的檢測效果。二維納米材料的應用可以實現光和電的反應，有效檢測出抗氧化劑的含量。但對光電化學催化劑而言，以為其固有帶隙的原因，并不能適合所有的抗氧化劑，通過合理使用易原子摻雜等手段進行調控，能有效解決這一問題。

（二）關于其他電化學傳感

電化學傳感器一般具有較多的優點，比如較低的成本、較高的效率、較高的靈敏度等，在社會上多個領域都得到了廣泛的應用。電化學傳感器的應用原理，主要是其電極表面物質與被檢測物質之間的電子傳遞產生的電信號，新型二維納米材料因為具有較薄的厚度、較高的導電性、以及豐富的表面活性位點等優點，比較符合電化學傳感器對電極材料的要求，所以在該領域具有巨大的應用潛力。

三、新型二維納米材料在電催化領域的應用

（一）電催化析氧

在燃料電池、電解水等能源體系中，電催化析氧是其反應的核心。一些貴金屬如具有較為良好的OER催化性能，但由于成本太高，開發高效、穩定的非金屬基的催化劑成為OER的研究方向。通過相應的研究發現，錳、鐵和Ni基的TMDs和LDHs等材料具有更高的OER催化活性。尤其是LDHs具有較大的層間比表面積、制備方法簡單等優點，得到了更為廣泛的應用。

除了具有較低成本、較大比表面積的二維TMDs和LDHs材料外，其他二維材料在OER反應中具有良好的催化性能，比如等材料。在進行全電池電解水時，HER和OER所在的電解液中需要處于同一個pH體系，并且要具有較高的催化活性，但兩者能呈現高催化活性的條件有所不同，所以研究具有更佳性能的新型二維納米材料催化劑，是電池電水解發展的重要內容。

（二）電催化析氫

氫氣作為一種清潔可持續的能源，成為新能源研究領域中的重點內容，其本身也具有極高的能量密度。在目前的電解水制氫中，使用的催化劑是Pt基金屬，但是這種催化劑價格較高并且儲存量較少，在實際應用中不能得到廣泛的應用。在非金屬基的電催化劑中，原子層厚度的二維納米材料因為具有豐富的活性位點，在HER的研究中得到了廣泛的應用。TMDs中的具有和Pt基相近的氫鍵，并且價格也相對低廉，成為HER研究中應用較廣泛的二維材料。

綜上所述，在電化學領域中越來越多的新型二維納米材料得到了廣泛的應用，本文主要討論了新型二維納米材料在鋰離子電池、超級電容器、電化學傳感器以及電催化等領域中的應用，充分表現了新型二維納米材料在電化學領域具有廣闊的應用前景。

參考文獻：

[1]劉銳.新型二維納米材料在電化學領域的應用[J].科技資訊，201816（12）：97-98.

[2]高利芳，宋忠乾，孫中輝，李風華，韓冬雪，牛利.新型二維納米材料在電化學領域的應用與發展[J].應用化學，2018，35（3）：247-258.

[作者單位]

湖北科技學院

（編輯：王潔雅）