新型二維納米材料在電化學(xué)領(lǐng)域的應(yīng)用

劉銳

摘 要：很多人對(duì)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(gè)維度可以無(wú)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(dú)特的機(jī)構(gòu)以及良好的電子特性，并且其在電化學(xué)領(lǐng)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(xué)領(lǐng)域的應(yīng)用及研究現(xiàn)狀。

關(guān)鍵詞：新型二維納米材料 電化學(xué) 應(yīng)用

中圖分類號(hào)：O646 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1672-3791（2018）04（c）-0097-02

隨著科技的發(fā)展，到目前為止新型納米材料以及發(fā)展到將近30種。按照材料組成和結(jié)構(gòu)分類，可將現(xiàn)階段二維納米材料分為五類：金屬化合物類、單質(zhì)類、無(wú)機(jī)化合物類、有機(jī)框架類、鹽類。新型二維納米材料具有獨(dú)特的性能其在電化學(xué)領(lǐng)域的極高應(yīng)用，本文主要分析了新型二維納米材料在電化學(xué)各領(lǐng)域的研究情況及相關(guān)應(yīng)用。

1 新型二維納米材料在電化學(xué)能源存儲(chǔ)領(lǐng)域應(yīng)用

1.1 鋰離子電池領(lǐng)域應(yīng)用

鋰離子電池與傳統(tǒng)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(yōu)點(diǎn)，它現(xiàn)在已在眾多領(lǐng)域被應(yīng)用。隨著科技的發(fā)展，各行業(yè)對(duì)鋰離子電池的需求也在增長(zhǎng)，為了推動(dòng)社會(huì)更快地發(fā)展，要求我們要研發(fā)出更先進(jìn)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(diǎn)和更短Li+擴(kuò)散路徑，它在鋰離子電池的研究創(chuàng)新中具有廣闊前景。

目前研究的應(yīng)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(yōu)點(diǎn)是具有較好的導(dǎo)電性及大的比表面積，它作為鋰離子電池負(fù)極材料能夠提供較高的比容量、倍率特性及循環(huán)性能；第二類是 TMDs，TMDs具有類石墨烯的層狀結(jié)構(gòu)，剝離簡(jiǎn)單，有助于Li+在電極中的擴(kuò)散，但由于 TMDs材料存在導(dǎo)電性差問題，在應(yīng)用中往往是結(jié)合導(dǎo)電材料來(lái)提高其電化學(xué)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(dǎo)電性、窄的擴(kuò)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(shí)容易引發(fā)結(jié)構(gòu)崩塌，所以在應(yīng)用中其常與其他材料復(fù)合來(lái)提高其電化學(xué)性能；第四類是四甲氧基硅烷簡(jiǎn)稱TMOs，TMOs擁有多種電化學(xué)反應(yīng)活性位點(diǎn)及較短的Li+擴(kuò)散路徑，其缺點(diǎn)就是單獨(dú)二維納米片不能堆疊降低了活性比表面積，但可通過導(dǎo)電碳材料與其復(fù)合解決此問題。

1.2 超級(jí)電容器領(lǐng)域應(yīng)用

超級(jí)電容器別名為電化學(xué)電容器，其特點(diǎn)是充電時(shí)間段、功率密度高、壽命長(zhǎng)、綠色環(huán)保等。超級(jí)電容器按照能源儲(chǔ)存機(jī)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(yīng)的贗電容電容器。但現(xiàn)在超級(jí)電器發(fā)展還有一定困難如生產(chǎn)成本高、能量密度低等。新型二維納米材料有助于超級(jí)電容器研究創(chuàng)新，因?yàn)榧{米材料的原子層厚度和大比表面積使其具有更多電化學(xué)活性位點(diǎn)，這有有利于電化學(xué)反應(yīng)及電子傳遞，同時(shí)納米材料還具有伸展性、透明性、穩(wěn)定性等特點(diǎn)，這些特點(diǎn)也滿足了部分超級(jí)電容器需要。

現(xiàn)在應(yīng)用在超級(jí)容器領(lǐng)域的新型二維納米材料主要有石墨烯：但經(jīng)過試驗(yàn)石墨烯容量低于理論值，現(xiàn)在提高石墨烯電容的方法包括組裝3D結(jié)構(gòu)、片層活化等，由于石墨烯具有獨(dú)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(jí)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(fā)展方向是微型化和可穿戴化，新型二維納米材料具有加強(qiáng)的電化學(xué)性能和高機(jī)械強(qiáng)度，這些特性促進(jìn)了新型二維納米材料在超級(jí)電容器領(lǐng)域的應(yīng)用。

2 新型二維納米材料在電化學(xué)傳感器領(lǐng)域應(yīng)用

（1）電化學(xué)傳感器具有成本低、效率高、操作簡(jiǎn)單、靈敏度高等優(yōu)點(diǎn)，現(xiàn)已被應(yīng)用到食品、醫(yī)學(xué)、環(huán)境等多個(gè)領(lǐng)域。電化學(xué)傳感的應(yīng)用原理是電極表面物質(zhì)與被檢測(cè)物質(zhì)二者間的電子傳遞產(chǎn)生電信號(hào)，這對(duì)電極材料要求要具有高導(dǎo)電率和高活性位。新型二維納米材料具有厚度薄、高導(dǎo)電性、豐富的表面活性位點(diǎn)等特點(diǎn)，所以其在電化學(xué)傳感領(lǐng)域擁有極大潛能。

（2）光電抗氧化檢測(cè)。人類為什么會(huì)生病呢？這就與人體內(nèi)的氧化活性物質(zhì)有關(guān)，現(xiàn)在人類疾病呈現(xiàn)復(fù)雜化的情況，尋找到檢測(cè)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(cè)具有高效、簡(jiǎn)單、準(zhǔn)確等特點(diǎn)，目前通過新型二維納米材料用作光電檢測(cè)材料，并通過實(shí)驗(yàn)成功的檢測(cè)到茶水中抗氧化檢測(cè)。

二維納米材料能夠?qū)崿F(xiàn)光和電的一起反應(yīng)，可有效檢測(cè)出抗氧化劑含量。目前，光電化學(xué)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(lái)調(diào)控其能帶是實(shí)現(xiàn)光電化學(xué)傳感器響應(yīng)快捷的核心。

3 新型二維納米材料在電催化領(lǐng)域的應(yīng)用

3.1 電催化析氧

電催化析氧簡(jiǎn)稱OER，它是燃料電池、電解水等新型可持續(xù)能源體系中反應(yīng)的核心。科學(xué)家在研究發(fā)現(xiàn)二氧化銥和氧化釕擁有良好的OER催化性能，但其弊端是價(jià)格昂貴限制了其發(fā)展，所以O(shè)ER發(fā)展研究的方向就是研發(fā)高效、穩(wěn)定的非金屬基的催化劑。經(jīng)過多年研究發(fā)現(xiàn)層狀雙金屬氫氧化物（LDHs）具有大的層間比表面積、價(jià)格較低、制備方法簡(jiǎn)單等特點(diǎn)，其在OER中呈現(xiàn)出優(yōu)良的性能。目前，研究發(fā)現(xiàn)NiFe-LDHs在OER中表現(xiàn)出了良好的穩(wěn)定性和活躍性，但是NiFe-LDHs存在導(dǎo)電性較差而且容易聚集的特性，影響了活性位點(diǎn)的作用發(fā)揮，這就需要導(dǎo)電性更好的基底做支撐、硒化等，進(jìn)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(jiǎn)單等特點(diǎn)?，F(xiàn)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(xiàn)出高效的催化性能如MOF、CO3O4、Ni3N等材料。全電池電解水時(shí)，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(xiàn)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(chuàng)新研究擁有更寬pH響應(yīng)的高效HER、OER新型二維納米材料催化劑是電池電水解的發(fā)展關(guān)鍵。

3.2 電催化析氫

氫氣是一種清潔環(huán)保、可持續(xù)的能源載體，氫氣自身具有極高的能量密度，它被世界公認(rèn)為最具潛力替代傳統(tǒng)燃料的選擇之一。制氫的技術(shù)有很多種，其中電解水制氫（HER）技術(shù)是最受研究者關(guān)注的，因?yàn)樵摷夹g(shù)具有電解技術(shù)清潔環(huán)保、產(chǎn)出的氫質(zhì)量好等優(yōu)點(diǎn)。現(xiàn)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(chǔ)備較少加上價(jià)格昂貴，大大的限制了Pt在HER的實(shí)際應(yīng)用?；诖饲闆r，迫使我們需要尋找到量大、價(jià)低、高效的電催化材料成為了HER發(fā)展的關(guān)鍵?，F(xiàn)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(diǎn)，其被廣泛的應(yīng)用到了HER研究中。經(jīng)過多年研究發(fā)現(xiàn)，TMDs中MoS2具有與Pt基金屬相近的氫鍵能而且價(jià)格較低，其目前成為HER研究較多的材料。雖然現(xiàn)在有很多新型二維納米材料用于析氫放應(yīng)，但是還沒有發(fā)現(xiàn)一種適合替代貴金屬催化劑，對(duì)HER可規(guī)模生產(chǎn)、環(huán)保節(jié)能、穩(wěn)定性高、Ph響應(yīng)范圍寬的代替材料。

4 結(jié)語(yǔ)

新型二維納米材料具有極高的比表面積、導(dǎo)電性能和優(yōu)異的機(jī)械性能，已在多個(gè)領(lǐng)域內(nèi)得到廣泛應(yīng)用實(shí)踐，同時(shí)它也是電化學(xué)領(lǐng)域最理想的新型材料，目前對(duì)新型二維納米材料在電化學(xué)領(lǐng)域的應(yīng)用開展了大量的理論、實(shí)踐研究，經(jīng)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(xué)領(lǐng)域應(yīng)用的無(wú)線前景，

參考文獻(xiàn)

[1] 何靜妍.銀納米材料的應(yīng)用研究[J].化工管理，2018（2）： 152-153.

[2] 耿新樂，魏強(qiáng).納米材料的制備及其表征[J].化學(xué)世界，2017，58（12）：746-754.

[3] 高利芳，宋忠乾，孫中輝，等.新型二維納米材料在電化學(xué)領(lǐng)域的應(yīng)用與發(fā)展[J].應(yīng)用化學(xué)，2018，35（3）：247-258.