碳中和时代背景下的二维材料研究

随着全球变暖的日益加剧，碳中和已经成为人类社会面临的重要挑战之一。二维材料，作为一类独特的材料，因其在电子、光电子、化学、机械等多个领域中的应用而备受关注。在这个背景下，二维材料研究具有重要的意义，因为它们可以为碳中和时代的发展提供各种可能的解决方案。

鉴于此，来自深圳大学的欧阳征标教授、张晗教授和东莞理工学院的郭忠义教授共同领导的国际研究团队在Journal of Materials Chemistry C上以Recent developments in emerging two-dimensional materials and their applications为题发表综述文章，详细介绍了讨论了二维材料的基本性质、应用及其优缺点。文章为二维材料在碳中和时代背景下的各种可能应用提供了重要的指导。

图1二维材料的应用概览。
图源：Journal of Materials Chemistry C. 8, 387-440.

二维材料是一种由单层或几层原子组成的材料，其尺寸在纳米到微米级别。最著名的二维材料之一是石墨烯，它是由碳原子形成的单层平面结构，具有高强度、高导电性和高热导性等特点。此外，还有许多其他的二维材料，如二硫化钼、氧化物和氮化物等。这些二维材料有着各自独特的性质和应用领域，因此受到了广泛的研究关注。

在碳中和时代，二维材料可以在许多领域中发挥重要作用。

能源领域：

能源危机是碳中和时代的主要问题之一。二维材料具有优异的光电性能，可以用于太阳能电池、电化学储能等领域。例如，石墨烯可以作为透明导电材料，被广泛用于制造柔性太阳能电池和透明电极。此外，某些二维材料还可以用于制造高效的光催化剂，可用于水的分解和二氧化碳的还原等反应，从而实现可持续的能源转化。

在碳中和时代背景下，绿色、低碳、可再生的能源研究成为了各国政府和科学家的热点。二维材料因其特殊的性质在能源领域具有广泛的应用前景。

二维材料具有宽带隙和大比表面积等特性，因此在光电转化领域具有广泛的应用前景。例如，石墨烯和MoS2等二维材料可以用作光电催化剂，通过光催化剂将光能转化为化学能，实现水的分解或二氧化碳还原等反应，以实现可持续的能源转换和利用。

二维材料在能量储存领域也具有广泛的应用前景。例如，石墨烯和MXenes等材料可以作为电极材料用于电化学电容器和锂离子电池中，其高比表面积和高电导率可以提高电容器和电池的能量密度和功率密度。

太阳能电池是一种将太阳能转化为电能的设备，二维材料在太阳能电池领域也有着广泛的应用前景。例如，石墨烯、MoS2和WS2等材料可以作为太阳能电池的光电极或电池材料，提高太阳能电池的效率和稳定性。

电池是一种将化学能转换成电能的设备，由两个不同材料的电极和中间隔离层组成。二维材料作为一种非常理想的电极材料，由于其高比表面积和优异的导电性能，可以有效提高电池的能量密度和循环寿命。例如，过去几年中已有多项研究表明，氧化石墨烯、MXene和石墨烯等二维材料可以作为锂离子电池的高性能负极材料。

超级电容器则是一种能够快速充放电的电化学设备，由于其高功率密度和长循环寿命而被广泛应用于电力系统中。而二维材料的高比表面积和电导率也使其成为超级电容器的理想电极材料。例如，石墨烯、氧化石墨烯和过渡金属卡宾等二维材料已经被证明可以有效提高超级电容器的能量密度和功率密度。

此外，二维材料还可以作为光电催化剂、光伏材料和热电材料等领域的应用材料。因此，可以预见，在碳中和时代的背景下，二维材料在能源领域的应用将会变得越来越重要，为能源转型和清洁能源的发展提供有力的支持。

同时，二维材料也可以用于太阳能电池、水分解和CO2还原等领域，以实现可持续能源的生产和利用。此外，二维材料还可以用于制备高性能催化剂，促进化学反应的进行，如二氧化碳转化为有用化学品。

图2 TMDC晶体及其电子结构。
图源：Journal of Materials Chemistry C. 8, 387-440.

环保领域：

碳中和时代需要推广环保技术，以减少对环境的影响。二维材料在环保领域中也有很大的应用潜力。例如，某些二维材料可以用于污水处理和空气净化。二维材料的高比表面积和优异的吸附性能，使其成为有效的吸附剂，可以用于去除有害物质和空气污染。

目前，有许多研究正在探索2D材料的各种应用，从高效的光电器件到更强、更轻的机械结构和更好的催化剂。此外，随着碳中和时代的到来，2D材料也被看作是能源转换和储存领域的潜在解决方案。因此，许多研究正在集中于使用2D材料开发更高效、可持续和环保的能源技术。

一种应用广泛的2D材料是石墨烯，它是一种由碳原子组成的单层晶体结构。石墨烯的优异特性包括高导电性、高热导性、高机械强度和化学稳定性，使其成为许多应用的理想选择。然而，石墨烯的应用受到其零带隙和缺乏可调节性的限制。因此，人们开始研究具有带隙和可调节性的二维材料，例如过渡金属二硫化物（TMDs）和黑磷（BP）等。

TMDs是由过渡金属和硫化物离子交替排列形成的二维晶体结构，其优异特性包括可调节的电子结构、高电子迁移率和优异的光电性能。这些特性使TMDs成为许多应用的理想选择，例如光电器件、传感器和催化剂等。近年来，许多研究还探索了TMDs在能源转换和储存方面的应用。例如，MoS2被发现可以用作高效的水分解催化剂，而WS2则被用于制造高效的太阳能电池。

与TMDs相比，BP是一种由磷原子组成的二维材料，具有可调节的带隙和优异的电子和光学性能。由于其层状结构和可调节的带隙，BP被广泛用于光电器件、传感器、能量转换和储存等领域的应用。例如，BP被发现可以用作高效的电池电极材料和超级电容器电极材料。

除了TMDs和BP之外，还有许多其他的2D材料也在被广泛研究。例如，氧化物二维材料具有优异的电学、光学和磁学性能，可以用于传感器、储存器和器件等应用。

另一个例子是二维材料的光电性质也引起了广泛的研究兴趣。由于其超薄结构，二维材料具有特殊的光学性质。例如，石墨烯的吸收率只有2.3％，但是它可以有效地吸收紫外线和可见光，这使得它在太阳能电池中的应用非常有前途。而且，许多二维材料还表现出了极佳的光电转换效率和光电探测性能，这些特性为电子学和光电子学应用提供了潜在的机会。

除了能源和环境领域，二维材料还有广泛的应用前景。例如，某些二维材料的磁性、铁电性和光伏特性等特性可以用于制备磁性存储器、非易失性存储器和光电器件。同时，二维材料的超大比表面积也使其成为生物医学领域的有力候选材料，如用于药物传输和细胞培养基的纳米材料。这些应用领域的发展对于推动人类社会的发展和可持续性发展至关重要。

图3二维钙钛矿的结构。
图源：Journal of Materials Chemistry C. 8, 387-440.

总结与展望：

在碳中和时代的背景下，二维材料研究已经成为了热门领域之一。这篇综述回顾了二维材料的研究历程、特性及其在能源领域的应用，探讨了碳中和时代下二维材料研究的意义与前景。

随着碳中和的到来，二维材料在能源、环保、电子、生物医学等领域的应用前景越来越广阔。目前，二维材料的研究主要集中在基础研究和材料性质的探索上，未来需要进一步深入探索二维材料的制备、改性、控制以及应用等方面，以实现二维材料在各领域的商业化应用。

可以预见，未来随着科技的不断发展和工业的逐步转型，二维材料在材料科学、纳米科技、信息技术和能源领域的应用前景将会更加广阔。在这个过程中，我们需要进一步加强对二维材料基本性质的理解和探索，发展更多二维光电子器件。

此外，二维材料的研究也需要与人工智能、量子计算等新兴技术相结合，以实现材料设计、材料制备和性能预测的高效、准确和可靠。在这个过程中，需要不断加强国际合作，促进学术交流和资源共享，可以共同推动二维材料的发展，为碳中和时代的到来做出更大的贡献。

参考文献：

Karim Khan, Ayesha Khan Tareen, Muhammad Aslam, Renheng Wang, Yupeng Zhang, Asif Mahmood, Zhengbiao Ouyang, Han Zhang and Zhongyi Guo. Recent developments in emerging two-dimensional materials and their applications. Journal of Materials Chemistry C. 8, 387-440.

https://pubs.rsc.org/en/content/articlehtml/2019/tc/c9tc04187g