【引言】

二維材料的新加學(xué)概念最初是由石墨烯引入的。石墨烯是坡南一種從石墨中剝離出的單原子層碳材料，具有顯著的洋理應(yīng)用各向異性和電子特性。在科學(xué)家的維材努力下，其他種類的料電超薄二維納米材料被開發(fā)出來，其中包括單層或幾層的催化材料過渡金屬二硫化物、金屬氧化物、新加學(xué)層狀雙氫氧化物、坡南六方氮化硼、洋理應(yīng)用石墨氮化碳、維材金屬碳化物、料電金屬氮化物以及一系列單元素化合物，催化材料比如黑磷、新加學(xué)單層砷烯、坡南銻烯等。洋理應(yīng)用這些材料具有單原子和幾個(gè)原子的厚度，層與層之間具有獨(dú)特的鍵合作用。這些材料在平面內(nèi)具有很強(qiáng)的共價(jià)鍵合作用，以及層與層之間較弱的范德華作用。這種較弱的范德華作用使其可以很容易地從材料本體剝離形成超薄的納米片層。這些超薄的納米片層由于各向異性，會和本體材料有完全不同的性質(zhì)。

二維納米材料由于層狀的性質(zhì)，早期被用于潤滑劑。通過科學(xué)家的努力，二維材料憑借其電子結(jié)構(gòu)和獨(dú)特的物理性質(zhì)在很多方面都有應(yīng)用。石墨烯是一種零能量的半金屬，因?yàn)殡娮痈叨攘鲃樱瑥亩宫F(xiàn)出卓越的導(dǎo)電性。通過調(diào)整過渡金屬和硫化物種類，過渡金屬二硫化物可以實(shí)現(xiàn)作為半導(dǎo)體、絕緣體和純金屬的屬性。絕緣體h-BN和半導(dǎo)體g-C₃N₄具有很好的熱穩(wěn)定性和化學(xué)穩(wěn)定性。二維納米材料的這些性質(zhì)，使其被廣泛地應(yīng)用在電子器件、傳感器和催化等方面。由于可持續(xù)能源的發(fā)展，二維材料在這些領(lǐng)域的應(yīng)用因?yàn)槭艿降膹V泛的關(guān)注和發(fā)展。電催化是未來清潔能源的核心，而二維材料是傳統(tǒng)貴金屬催化劑的很好的替代品。

二維材料在催化領(lǐng)域應(yīng)用的潛力主要可以概括為三個(gè)方面：較大的表面積、機(jī)械性能以及很強(qiáng)的傳導(dǎo)性（熱和電）。二維材料較大的比表面積可以提供較多表面活性位點(diǎn)；優(yōu)異的機(jī)械性能可以提供催化的持久性；熱導(dǎo)率可以輔助反應(yīng)中產(chǎn)生的熱擴(kuò)散。除此之外，二維材料可調(diào)控的電子性質(zhì)可以控制催化的表現(xiàn)；因此，相對比本體材料，二維納米材料具有更好的催化穩(wěn)定性和催化活性。

【成果簡介】

南洋理工大學(xué)的科學(xué)家在Nature Catalyst上，發(fā)表了題為"Charateristics and Performance of Two-Dimensional Materials for Electrocatalysis"的綜述。這篇綜述討論了這些二維材料相似之處，并強(qiáng)調(diào)了他們在電化學(xué)和電催化應(yīng)用中的不同，以及近年來二維材料在能源相關(guān)的電催化中的應(yīng)用。

【圖文導(dǎo)讀】

Figure 1.二維材料結(jié)構(gòu)示意圖

Figure 2.二維材料的各向異性影響電子傳輸

(a).MoS₂邊緣和底部平面的示意圖

(b,c). MoS₂邊緣和底部平面的表面形貌

Figure 3.影響二維材料電子傳輸?shù)谋砻姹碚?/strong>

(a).氧化石墨烯表面官能團(tuán)還原的示意圖

(b).氧化石墨烯還原后的XPS譜圖

(c).循環(huán)伏安曲線

(d,e).描述電子轉(zhuǎn)移變化的循環(huán)伏安曲線

圖4.物質(zhì)傳輸影響二維材料的電催化行為

(a).MoS₂中通路的示意圖

(b).MoS₂納米片層和擁有通路的MoS₂的催化行為

圖5.增加電催化的反應(yīng)活性位點(diǎn)

(a).雙螺旋中孔MoS₂的合成

(b).雙螺旋中孔MoS₂的TEM表征

(c).雙螺旋MoS2和MoO₃-MoS₂納米線的催化行為對比

(d).從本體LDHs上剝離納米片層

(e).本體材料和剝離的LDHs的催化行為對比

圖6.增加本征活性來增強(qiáng)反應(yīng)中的電催化活性

(a).氮原子含量

(b).N-石墨烯中的不同氮構(gòu)型

(c).N-石墨烯在氬氣和二氧化碳?xì)夥罩械木€性掃描伏安曲線

(d).N-石墨烯和氧化石墨烯法拉第效率的對比

(e).CoFe LDH納米片層剝離示意圖

(f,g).本征LDHs和剝離的LDHs的線性掃描伏安曲線的對比

【小結(jié)】

在這篇綜述中，作者討論了這些二維材料相似之處，并強(qiáng)調(diào)了他們在電化學(xué)和電催化應(yīng)用中的不同，以及近年來二維材料在能源相關(guān)的電催化中的應(yīng)用。

Charateristics and Performance of Two-Dimensional Materials for Electrocatalysis

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

本文由材料人學(xué)術(shù)組gaxy供稿，材料牛整理編輯。?

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