2D纳米材料与3D石墨烯结构的复合用于电化学能量存储和转换

近日，香港城市大学张华教授团队在Advanced Functional Materials上发表综述文章，论文题为“Hybridization of 2D Nanomaterials with 3D Graphene Architectures for Electrochemical Energy Storage and Conversion”。自石墨烯发现以来，各种二维纳米材料已被探索并在电化学能量存储和转换中展现出巨大的应用前景。然而，二维纳米材料的重新堆叠严重减少了它们暴露的活性位点，从而损害了它们的电化学性能。此外，除石墨烯外，大量二维纳米材料通常具有不令人满意的导电性。解决上述缺点的有效策略之一是将 2D 纳米材料与 3D 石墨烯结构混合，因为在获得的混合材料中可以实现大的比表面积和电子、离子和质量的快速传输路径。这篇综述总结了将 2D 纳米材料与 3D 石墨烯结构混合的典型策略，然后重点介绍了这些混合材料在可充电电池、超级电容器和电催化水分解中的应用。还讨论了该研究领域的挑战和未来的研究方向。

作者：Qinbai Yun通讯作者：Hua Zhang通讯单位：香港城市大学论文DOI：10.1002/adfm.202202319

Figure 1. Overview of this review. 

【总结与展望】　作者总结了 2D 纳米材料与 3D 石墨烯结构杂化的最新进展，以及所获得的杂化材料在电化学储能和转换中的应用。通过 2D 纳米材料与石墨烯或 GO 基纳米结构的自组装、2D 纳米材料在 3D 石墨烯结构上的模板化生长以及其他一些方法，例如两步转化策略，已经制备了各种 2D 纳米材料/3D 石墨烯杂化物。所获得的杂化材料继承了2D纳米材料和3D石墨烯结构的优点，具有丰富的活性位点以及高效的电子、离子和质量传输路径。因此，当它们用于电化学能量存储和转换时，可以实现优异的电化学性能，包括可充电电池、超级电容器和电催化水分解。　　尽管在过去十年中取得了令人振奋的进展，但该领域仍然存在一些挑战。首先，制备 2D 纳米材料/3D 石墨烯杂化物的杂交过程的精确控制仍然很困难。具体来说，它缺乏有效的策略来确保 2D 纳米材料在 3D 石墨烯架构中的均匀分布。对于自组装方法，在杂化过程中二维纳米材料的重新堆叠或聚集是难以避免的。至于模板化生长方法，二维纳米材料通常更喜欢在石墨烯的缺陷部位成核。因此，实现高度均匀的混合是一个很大的挑战。此外，在大多数研究中，二维纳米材料在杂化物中的取向受到的关注较少，尽管它会显著影响电化学反应过程中活性位点的暴露和离子的传输。其次，对 3D 结构的孔径和结构的合理设计和精确控制仍然具有挑战性。在 2D 纳米材料/3D 石墨烯杂化物中存在足够的孔隙/空隙对于快速离子和传质至关重要。然而，过大的孔径会导致浪费空隙空间，这会显著降低可充电电池和超级电容器的体积能量密度。 因此，需要探索新的策略来设计和控制电池的孔径和结构。2D 纳米材料/3D 石墨烯混合物。第三，开发的 2D 纳米材料/3D 石墨烯杂化物离实际应用还很远。一方面，2D纳米材料/3D石墨烯杂化物的制备工艺通常较为复杂，产品良率低，无法满足实际应用材料规模化生产的要求。另一方面，2D纳米材料/3D石墨烯杂化物的多孔结构在制造电极和器件的工业过程中很容易被破坏，导致电化学性能受损。先前的研究表明，3D 石墨烯结构及其混合物的机械稳定性与其结构特征高度相关。例如，与密度较低的 3D 石墨烯结构相比，密度较高的 3D 石墨烯结构具有更高的机械强度。此外，与纳米片随机堆叠的结构相比，规则组织的 3D 架构显示出强大的片间连接，因此具有更好的稳定性。因此，开发新的大规模生产方法来制备结构设计合理、机械稳定性高的 2D 纳米材料/3D 石墨烯杂化物势在必行。
　　作为研究热点，2D纳米材料/3D石墨烯杂化物的构建以及在电化学储能和转换中的应用仍有很多机会。首先，由于原子和电子结构的改变，纳米材料的相工程 (PEN) 已成为调节物理化学性质的一种有前途的策略。然而，尽管研究了 1T-MoS2 的杂化 或 1T-WS2具有用于可充电电池和电催化 HER 的 3D 石墨烯结构，大部分工作仍然集中在具有热力学稳定相的 2D 纳米材料上。因此，制备具有非常规相的新型2D纳米材料，将其与3D石墨烯结构杂化，探索所得杂化物在电化学储能和转换中的应用具有重要意义。最近，作者所在的课题组报道了高相纯度 1T′-MoS2、1T′-MoSe2、1T′-WS2、1T′-WSe2层状块状晶体的制备，发现剥离后的 1T '-MoS2纳米片比传统的 2H-MoS2具有更高的催化活性。这些材料提供了一个有前途的平台，可以与 3D 石墨烯架构混合用于各种应用。其次，与纯 2D 纳米材料相比，2D 纳米材料/3D 石墨烯杂化物的电化学性能大大提高，这通常归因于两种组分之间的协同效应以及促进的电子和离子传输。然而，潜在的机制尚未完全了解。因此，重要的是通过使用各种原位/操作表征技术以及理论计算来研究这些混合材料的构造如何影响电化学反应。这也将为合理设计用于电化学能量存储和转换的高性能 2D 纳米材料/3D 石墨烯混合物提供指导。第三，到目前为止，大多数研究都集中在将 2D 纳米材料/3D 石墨烯混合物应用于可充电电池、超级电容器和电催化水分解。然而，考虑到二维纳米材料种类繁多及其各种性质和功能，扩大杂化材料在其他领域的应用具有重要意义，包括电催化氧还原、氮还原和二氧化碳还原。例如，Co3O4 纳米片/氮掺杂 CNT/3D 石墨烯杂化物已显示出作为电催化氧还原反应催化剂的巨大潜力。作者相信，在这个有前途的领域投入更多的努力，将会取得更多令人兴奋的研究成果。

文章来源：公众号【研图汇】

氧化石墨烯：

氧化石墨烯(graphene oxide )是石墨烯的氧化物，一般用GO表示，其颜色为棕黄色，市面上常见的产品有粉末状、片状以及溶液状的。因经氧化后，其上含氧官能团增多而使性质较石墨烯更加活泼，可经由各种与含氧官能团的反应而改善本身性质。

氧化石墨烯薄片是石墨粉末经化学氧化及剥离后的产物，氧化石墨烯是单一的原子层，可以随时在横向尺寸上扩展到数十微米。因此，其结构跨越了一般化学和材料科学的典型尺度。氧化石墨烯可视为一种非传统型态的软性材料，具有聚合物、胶体、薄膜，以及两性分子的特性。氧化石墨烯长久以来被视为亲水性物质，因为其在水中具有优越的分散性，但是，相关实验结果显示，氧化石墨烯实际上具有两亲性，从石墨烯薄片边缘到中央呈现亲水至疏水的性质分布。因此，氧化石墨烯可如同界面活性剂一般存在界面，并降低界面间的能量。其亲水性被广泛认知。