用于可持续能源应用的超薄2D纳米材料中的空位工程

二维纳米材料独特的物理化学性能使其在可持续能源应用中具有绝对优势。通过空位工程来提高材料在能源储存和转换方面的性能是近年来研究的热点问题。近日，北京化工大学杨文胜教授（点击查看介绍）和陈旭教授（点击查看介绍）（共同通讯作者）发表了综述文章，详细介绍了面向能源领域的超薄二维材料在空位工程方面的最新进展。

自2004年发现机械剥脱石墨烯以来，超薄二维纳米材料的独特物理、电子和化学性质吸引了可持续能源领域的关注。然而，二维材料的本征电子性质和化学组成限制了其应用，目前常用的调控手段有构筑缺陷、调控相态等。其中，通过缺陷空位调控是调节二维纳米材料本征属性的有效方式。在能源储存和能源转化方面，空位调节更是可以直接影响到材料本征活性位点。但是，在探究不同空位类型对材料属性调控的差异上，目前还没有系统和全面的总结与认识。另外，在总结空位的构造方法和调节手段上，人们一般将二维材料分为层状材料和非层状材料以更系统的总结材料的制备与差异。然而这种对于二维材料的总结却很难反应空位的不同所带来的制备方法、本征性质上的异同。

基于以上考虑，这篇综述主要关注三类不同的超薄二维材料：具有X_a&X_aY_b、M_aX_b或M_aX_bY_c 结构的材料。在X_a&X_aY_b结构中，X和Y是排列在单层同一平面内的非金属原子，例如石墨烯，h-BN和g-C₃N₄。在M_aX_b结构中，M和X分别是排列在同一层不同平面中的过渡金属原子和非金属原子，例如过渡金属二硫属化合物（TMD）、过渡金属氧化物（TMO）和金属卤化物等。M_aX_bY_c 结构的材料与M_aX_b结构相当，不同之处在于添加了另一元素Y，并且相应空间排列稍复杂一些，例如氢氧化物，羟基氧化物，MXene和过渡金属卤氧化物。通过这样的分类方式，这些超薄2D材料的空位类型就集中于X型、Y型以及M型这三种空位类型以及它们的相互组合上。本综述详细描述了这些不同的空位类型及相应的制备和表征手段，最后重点总结了这些材料在电化学能源存储和转换领域的应用。

在总结了目前的研究工作的基础上，本综述讨论了新开发的空位制备和表征技术。进而提出了基于上述材料分类方法的研究思路。此外，目前在空位工程的研究方面上。仍有挑战存在：首先是对于特定的能源相关应用的反应机制仍未被理解清楚；其次，关于综述提到的三种类型的超薄2D材料，有大量研究针对氧、硫、碳、氮空位，而研究金属空位、其他X和Y型空位以及多空位的研究工作寥寥；第三，许多理论研究表明存在特殊的空位类型，其准确位置和浓度对于提高材料效能至关重要，然而现有的制备方法还不能实现对空位的高质量和精准化调控。此外，空位在反应过程中并不是静态的，对空位在反应过程中的演化的表征和原位实时表征仍需要完善。作者相信超薄2D纳米材料的空位工程将会继续作为材料科学与工程中一个重要的研究领域，在新型高活性电极材料和催化等可持续能源应用中也会大有可为。

这一成果近期发表在Advanced Energy Materials 上，文章的第一作者是北京化工大学博士研究生白帆和徐亮。

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Vacancy in Ultrathin 2D Nanomaterials toward Sustainable Energy Application

Fan Bai, Liang Xu, Xiaoying Zhai, Xu Chen, Wensheng Yang

Adv. Ener. Mater., 2019, DOI: 10.1002/aenm.201902107

导师介绍

杨文胜

https://www.x-mol.com/university/faculty/8728

陈旭

https://www.x-mol.com/university/faculty/8732