納米材料專題
新型層狀結(jié)構(gòu)納米材料可顯著提高電池儲能
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層狀結(jié)構(gòu)納米材料掀起了材料研究的熱潮。層狀結(jié)構(gòu)材料的層內(nèi)以較強的共價鍵或者離子鍵結(jié)合而成，而層與層之間是通過較弱的范德華力相互作用堆疊在一起。在外力的作用下，層間可以發(fā)生寬化甚至剝離形成單層二維材料。層狀過渡金屬二硫?qū)倩铮∕X2）納米片具有可控的層數(shù)、超薄的單層厚度、豐富的二維層間通道、較大的層間表面積等特點，呈現(xiàn)出奇異的物理與化學性質(zhì)。近年來，這類材料廣為人們所青睞，是當前國際研究的熱點和前沿領域。MX2納米材料具有優(yōu)異的電化學性能，在二次電池、超級電容器、電催化和光電化學器件等方面具有良好的發(fā)展前景。MX2層間結(jié)構(gòu)變化對材料的物理性質(zhì)及電化學能量存儲與轉(zhuǎn)換性能具有特殊的影響意義。
合肥工業(yè)大學電子科學與應用物理學院許俊教授與香港城市大學超金剛石及先進薄膜研究中心（COSDAF）李振聲教授合作，圍繞調(diào)控MX2納米片的層間結(jié)構(gòu)來提高材料電化學儲能與催化性能這一主題，開展了富有成效的研究探索，并取得了一系列創(chuàng)新性研究進展。
記者從合肥工業(yè)大學獲悉，該?？蒲腥藛T通過調(diào)節(jié)層狀結(jié)構(gòu)過渡金屬二硫?qū)倩锏姆肿娱g層間距離，實現(xiàn)了電極材料電化學儲能與催化性能的大幅提升，為發(fā)展高性能電催化與儲能器件開辟了新路徑。相關(guān)研究成果日前發(fā)表在《納米能源》和《先進能源材料》等國際期刊上。
層狀過渡金屬二硫?qū)倩锛{米片具有層數(shù)可控、單層厚度超薄、二維層間通道豐富、層間表面積較大等特點，具有優(yōu)異的電化學性能，在二次電池、超級電容器、電催化和光電化學器件等方面具有良好的發(fā)展前景。然而，由于傳統(tǒng)層狀材料層間距離較窄，離子在材料層間傳輸?shù)淖枇^大，從而限制了其電化學性能。
合肥工業(yè)大學電子科學與應用物理學院許俊教授課題組，與香港城市大學科研人員合作，將二硫化鉬的層間距從0.615納米寬化到0.99納米，從而促進鈉離子的快速傳輸，提高了材料的電子電導率。實驗結(jié)果表明，層間距寬化后的納米材料，實現(xiàn)了電極材料倍率性能和儲能穩(wěn)定性的大幅提升。
“通過外力拓寬層間距離后，可大幅降低鋰、鈉、鎂等離子在層間的傳輸阻力，從而提升這些納米材料在離子嵌入型儲能器件中的電化學性能。”許俊教授介紹說，這一成果可應用在鋰離子電池、鈉離子電池、鎂離子電池和超級電容器中，從而大幅提高儲能器件性能。
論文從MX2納米片層間結(jié)構(gòu)出發(fā)，討論了層間結(jié)構(gòu)變化包括層間距變化和外來功能粒子插層作用對MX2材料電化學儲能與催化性能的影響和意義。論文總結(jié)和分析了層間寬化MX2納米片的合成方法，分別討論了“自上而下”和“自下而上”兩種思路來制備不同層間距的MX2納米材料，通過引入有機或無機功能粒子（有機分子、無機離子、原子層二維材料、量子點等）來合成雜化結(jié)構(gòu)并調(diào)控MX2的層間距。論文系統(tǒng)討論了該類材料在鋰離子電池、鈉離子電池、鎂離子電池、贗電容超級電容器和電催化析氫等方面的研究進展。對于離子插層型的儲能器件，MX2層間距寬化能夠優(yōu)化離子嵌入能、提高離子擴散動力學，有利于緩釋充放電過程中MX2電極材料的體積效應及產(chǎn)生的應力，顯著提高其充放電性能。另一方面，層間距寬化能夠改變MX2材料的電子能級結(jié)構(gòu)，優(yōu)化材料的氫吸附自由能，提高其電催化析氫過程中的反應動力學，論文系統(tǒng)分析了層間距寬化并結(jié)合小尺寸效應、晶相調(diào)控、缺陷密度及材料復合等手段，增加MX2催化劑的活性位點、提高其析氫性能。最后，論文進一步闡述了層間距寬化的MX2納米材料在環(huán)境處理方面的潛在應用。
針對未來MX2層間調(diào)控的發(fā)展，作者認為可以集中在MX2層間距寬化機理、功能插層粒子開發(fā)、實驗與理論計算相結(jié)合、先進表征手段等方面，分析和揭示MX2層間結(jié)構(gòu)與材料性能之間構(gòu)效關(guān)系，進而為材料的可控合成及電化學性能研究提供有效的指導方向。
來源：南方網(wǎng)
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