納米材料專(zhuān)題
新型層狀結(jié)構(gòu)納米材料可顯著提高電池儲(chǔ)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(qiáng)的共價(jià)鍵或者離子鍵結(jié)合而成，而層與層之間是通過(guò)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(guò)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(diǎn)，呈現(xiàn)出奇異的物理與化學(xué)性質(zhì)。近年來(lái)，這類(lèi)材料廣為人們所青睞，是當(dāng)前國(guó)際研究的熱點(diǎn)和前沿領(lǐng)域。MX2納米材料具有優(yōu)異的電化學(xué)性能，在二次電池、超級(jí)電容器、電催化和光電化學(xué)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(duì)材料的物理性質(zhì)及電化學(xué)能量存儲(chǔ)與轉(zhuǎn)換性能具有特殊的影響意義。
合肥工業(yè)大學(xué)電子科學(xué)與應(yīng)用物理學(xué)院許俊教授與香港城市大學(xué)超金剛石及先進(jìn)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(lái)提高材料電化學(xué)儲(chǔ)能與催化性能這一主題，開(kāi)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(jìn)展。
記者從合肥工業(yè)大學(xué)獲悉，該校科研人員通過(guò)調(diào)節(jié)層狀結(jié)構(gòu)過(guò)渡金屬二硫?qū)倩锏姆肿娱g層間距離，實(shí)現(xiàn)了電極材料電化學(xué)儲(chǔ)能與催化性能的大幅提升，為發(fā)展高性能電催化與儲(chǔ)能器件開(kāi)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(jìn)能源材料》等國(guó)際期刊上。
層狀過(guò)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(diǎn)，具有優(yōu)異的電化學(xué)性能，在二次電池、超級(jí)電容器、電催化和光電化學(xué)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(xué)性能。
合肥工業(yè)大學(xué)電子科學(xué)與應(yīng)用物理學(xué)院許俊教授課題組，與香港城市大學(xué)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(jìn)鈉離子的快速傳輸，提高了材料的電子電導(dǎo)率。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，層間距寬化后的納米材料，實(shí)現(xiàn)了電極材料倍率性能和儲(chǔ)能穩(wěn)定性的大幅提升。
“通過(guò)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(chǔ)能器件中的電化學(xué)性能?！痹S俊教授介紹說(shuō)，這一成果可應(yīng)用在鋰離子電池、鈉離子電池、鎂離子電池和超級(jí)電容器中，從而大幅提高儲(chǔ)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(lái)功能粒子插層作用對(duì)MX2材料電化學(xué)儲(chǔ)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(lái)制備不同層間距的MX2納米材料，通過(guò)引入有機(jī)或無(wú)機(jī)功能粒子（有機(jī)分子、無(wú)機(jī)離子、原子層二維材料、量子點(diǎn)等）來(lái)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(lèi)材料在鋰離子電池、鈉離子電池、鎂離子電池、贗電容超級(jí)電容器和電催化析氫等方面的研究進(jìn)展。對(duì)于離子插層型的儲(chǔ)能器件，MX2層間距寬化能夠優(yōu)化離子嵌入能、提高離子擴(kuò)散動(dòng)力學(xué)，有利于緩釋充放電過(guò)程中MX2電極材料的體積效應(yīng)及產(chǎn)生的應(yīng)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(jí)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(guò)程中的反應(yīng)動(dòng)力學(xué)，論文系統(tǒng)分析了層間距寬化并結(jié)合小尺寸效應(yīng)、晶相調(diào)控、缺陷密度及材料復(fù)合等手段，增加MX2催化劑的活性位點(diǎn)、提高其析氫性能。最后，論文進(jìn)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(yīng)用。
針對(duì)未來(lái)MX2層間調(diào)控的發(fā)展，作者認(rèn)為可以集中在MX2層間距寬化機(jī)理、功能插層粒子開(kāi)發(fā)、實(shí)驗(yàn)與理論計(jì)算相結(jié)合、先進(jìn)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(jìn)而為材料的可控合成及電化學(xué)性能研究提供有效的指導(dǎo)方向。
來(lái)源：南方網(wǎng)
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