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聚焦:二维类石墨烯材料在储能领域的应用前景

导读: 二维石墨烯类似物的制备、性质以及作为能源存储材料的性能、影响因素,二维石墨烯类似物作为电极材料的优缺点和面临的机遇及挑战。

  近日,来自法国斯特拉斯堡大学的Dr. Xiaoyan Zhang等研究人员在Advanced Energy Materials上发表题目为“2D Materials Beyond Graphene for High-Performance Energy Storage Applications”的综述文章,系统研究和分析了二维石墨烯类似物的制备、性质以及作为能源存储材料的性能、影响因素,二维石墨烯类似物作为电极材料的优缺点和面临的机遇及挑战。

  1二维石墨烯类似物

二维类石墨烯材料在储能领域的应用前景

  图1 用于能源存储的石墨烯类似物的结构,如过渡金属硫化物、过渡金属氧化物、过渡金属氢氧化物以及磷烯和硅烯等。

  二维石墨烯类似物(GAs)结构与石墨烯类似,具有原子级的厚度和优异的电化学性质,在超级电容器和电池等能源存贮领域有潜在的应用前景。Gas比表面积高,能够充分利用活性物质上可用反应位点,因此增加电极和电解液的接触面积并促进电荷的转移。

  2二维石墨烯类似物的制备

二维类石墨烯材料在储能领域的应用前景

  图2 自上而下以及自下而上两种方法制备二维石墨烯类似物:包含电化学剥离法和超声分散法,以及气相沉积法和化学合成法。

  自上而下法是从块体晶上获得微米或者纳米级尺度片。通过机械剥离获得的GAs片质量和纯度都很高,适合用于基础研究尤其是用于概念性验证设备。但是这种方法产量低并且难以控制层数。

  具有固定层数的大面积Gas可有CVD法制备,即自下而上法。使用分子前驱体利用水热/溶剂热法也可以制备二维材料。

  3二维石墨烯类似物的性质

二维类石墨烯材料在储能领域的应用前景

表1 常见二维石墨烯类似物的性质,如较大的比表面积。

  4二维石墨烯类似物用于超级电容器

  目前对超级电容器的研究,主要集中于发展和发现新的电极材料,以便提高储能能力和循环寿命,并且降低成本。文章分别对GAs在双电层电容器和赝电容器的应用作了介绍,如图3和图4所示。 4

二维类石墨烯材料在储能领域的应用前景

图3双电层电容器

  由于GAs的高电子电导率,其在超级电容器中的应用很有前景。但是MoS2和WS2之类的半导体GAs电导率相对较低,因此不利于其应用于超级电容器电极。

二维类石墨烯材料在储能领域的应用前景

图4赝电容器

  在应用于赝电容器的众多材料中,TMOs和TMHs由于其高理论容量、化学稳定性、与电解液的高相容性以及易于制备等特点受到广泛关注。

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