新加坡南洋理工大学Nature Catalysis:二维材料在电催化中的应用

【引言】

二维材料的概念最初是由石墨烯引入的。石墨烯是一种从石墨中剥离出的单原子层碳材料，具有显著的各向异性和电子特性。在科学家的努力下，其他种类的超薄二维纳米材料被开发出来，其中包括单层或几层的过渡金属二硫化物、金属氧化物、层状双氢氧化物、六方氮化硼、石墨氮化碳、金属碳化物、金属氮化物以及一系列单元素化合物，比如黑磷、单层砷烯、锑烯等。这些材料具有单原子和几个原子的厚度，层与层之间具有独特的键合作用。这些材料在平面内具有很强的共价键合作用，以及层与层之间较弱的范德华作用。这种较弱的范德华作用使其可以很容易地从材料本体剥离形成超薄的纳米片层。这些超薄的纳米片层由于各向异性，会和本体材料有完全不同的性质。

二维纳米材料由于层状的性质，早期被用于润滑剂。通过科学家的努力，二维材料凭借其电子结构和独特的物理性质在很多方面都有应用。石墨烯是一种零能量的半金属，因为电子高度流动，从而展现出卓越的导电性。通过调整过渡金属和硫化物种类，过渡金属二硫化物可以实现作为半导体、绝缘体和纯金属的属性。绝缘体h-BN和半导体g-C₃N₄具有很好的热稳定性和化学稳定性。二维纳米材料的这些性质，使其被广泛地应用在电子器件、传感器和催化等方面。由于可持续能源的发展，二维材料在这些领域的应用因为受到的广泛的关注和发展。电催化是未来清洁能源的核心，而二维材料是传统贵金属催化剂的很好的替代品。

二维材料在催化领域应用的潜力主要可以概括为三个方面：较大的表面积、机械性能以及很强的传导性（热和电）。二维材料较大的比表面积可以提供较多表面活性位点；优异的机械性能可以提供催化的持久性；热导率可以辅助反应中产生的热扩散。除此之外，二维材料可调控的电子性质可以控制催化的表现；因此，相对比本体材料，二维纳米材料具有更好的催化稳定性和催化活性。

【成果简介】

南洋理工大学的科学家在Nature Catalyst上，发表了题为”Charateristics and Performance of Two-Dimensional Materials for Electrocatalysis“的综述。这篇综述讨论了这些二维材料相似之处，并强调了他们在电化学和电催化应用中的不同，以及近年来二维材料在能源相关的电催化中的应用。

【图文导读】

Figure 1.二维材料结构示意图

Figure 2.二维材料的各向异性影响电子传输

(a).MoS₂边缘和底部平面的示意图

(b,c). MoS₂边缘和底部平面的表面形貌

Figure 3.影响二维材料电子传输的表面表征

(a).氧化石墨烯表面官能团还原的示意图

(b).氧化石墨烯还原后的XPS谱图

(c).循环伏安曲线

(d,e).描述电子转移变化的循环伏安曲线

图4.物质传输影响二维材料的电催化行为

(a).MoS₂中通路的示意图

(b).MoS₂纳米片层和拥有通路的MoS₂的催化行为

图5.增加电催化的反应活性位点

(a).双螺旋中孔MoS₂的合成

(b).双螺旋中孔MoS₂的TEM表征

(c).双螺旋MoS2和MoO₃-MoS₂纳米线的催化行为对比

(d).从本体LDHs上剥离纳米片层

(e).本体材料和剥离的LDHs的催化行为对比

图6.增加本征活性来增强反应中的电催化活性

(a).氮原子含量

(b).N-石墨烯中的不同氮构型

(c).N-石墨烯在氩气和二氧化碳气氛中的线性扫描伏安曲线

(d).N-石墨烯和氧化石墨烯法拉第效率的对比

(e).CoFe LDH纳米片层剥离示意图

(f,g).本征LDHs和剥离的LDHs的线性扫描伏安曲线的对比

【小结】

在这篇综述中，作者讨论了这些二维材料相似之处，并强调了他们在电化学和电催化应用中的不同，以及近年来二维材料在能源相关的电催化中的应用。

Charateristics and Performance of Two-Dimensional Materials for Electrocatalysis

(Nature Catalyst, 2018, DOI: 10.1038/s41929-018-0181-7)

本文由材料人学术组gaxy供稿，材料牛整理编辑。