新型二维纳米材料在电化学领域的应用

刘锐

摘 要：很多人对新型二维纳米材料还很陌生，它是指在同一维度上尺寸在0.1～100nm，而在其他两个维度可以无限延伸的新型材料。新型二维纳米材料最具代表性的是石墨烯，石墨烯拥有独特的机构以及良好的电子特性，并且其在电化学领域的潜能是十分巨大的。本文主要阐述了新型二维纳米材料在电化学领域的应用及研究现状。

关键词：新型二维纳米材料 电化学 应用

中图分类号：O646 文献标识码：A 文章编号：1672-3791（2018）04（c）-0097-02

随着科技的发展，到目前为止新型纳米材料以及发展到将近30种。按照材料组成和结构分类，可将现阶段二维纳米材料分为五类：金属化合物类、单质类、无机化合物类、有机框架类、盐类。新型二维纳米材料具有独特的性能其在电化学领域的极高应用，本文主要分析了新型二维纳米材料在电化学各领域的研究情况及相关应用。

1 新型二维纳米材料在电化学能源存储领域应用

1.1 锂离子电池领域应用

锂离子电池与传统电池相比具有高工作电压、高能量密度、高功率密度、低放电速率等优点，它现在已在众多领域被应用。随着科技的发展，各行业对锂离子电池的需求也在增长，为了推动社会更快地发展，要求我们要研发出更先进的锂离子电池。新型二维纳米材料具有更为丰富的充足的吸附位点和更短Li+扩散路径，它在锂离子电池的研究创新中具有广阔前景。

目前研究的应用锂离子电池中的二维纳米材料主要有以下几种：第一类是石墨烯，其研究较为广泛，其优点是具有较好的导电性及大的比表面积，它作为锂离子电池负极材料能够提供较高的比容量、倍率特性及循环性能；第二类是 TMDs，TMDs具有类石墨烯的层状结构，剥离简单，有助于Li+在电极中的扩散，但由于 TMDs材料存在导电性差问题，在应用中往往是结合导电材料来提高其电化学性能；第三类是二维过渡金属碳化物，其具有低的工作电压、金属导电性、窄的扩散层，在锂离子电池中拥有良好的倍率性能，但MXenes材料容易堆成，其作为锂离子电池电极时容易引发结构崩塌，所以在应用中其常与其他材料复合来提高其电化学性能；第四类是四甲氧基硅烷简称TMOs，TMOs拥有多种电化学反应活性位点及较短的Li+扩散路径，其缺点就是单独二维纳米片不能堆叠降低了活性比表面积，但可通过导电碳材料与其复合解决此问题。

1.2 超级电容器领域应用

超级电容器别名为电化学电容器，其特点是充电时间段、功率密度高、寿命长、绿色环保等。超级电容器按照能源储存机制不同划分为两类：基于离子吸附的双电层电容器和基于电极表面的氧化还原反应的赝电容电容器。但现在超级电器发展还有一定困难如生产成本高、能量密度低等。新型二维纳米材料有助于超级电容器研究创新，因为纳米材料的原子层厚度和大比表面积使其具有更多电化学活性位点，这有有利于电化学反应及电子传递，同时纳米材料还具有伸展性、透明性、稳定性等特点，这些特点也满足了部分超级电容器需要。

现在应用在超级容器领域的新型二维纳米材料主要有石墨烯：但经过试验石墨烯容量低于理论值，现在提高石墨烯电容的方法包括组装3D结构、片层活化等，由于石墨烯具有独特的柔韧性，所以其常常被用于可穿戴电容器上。还有其他的二维纳米材料在超级电容中都有研究如二维过渡金属碳化、TMDs、TMOs、MOF、石墨块等。电容器件的发展方向是微型化和可穿戴化，新型二维纳米材料具有加强的电化学性能和高机械强度，这些特性促进了新型二维纳米材料在超级电容器领域的应用。

2 新型二维纳米材料在电化学传感器领域应用

（1）电化学传感器具有成本低、效率高、操作简单、灵敏度高等优点，现已被应用到食品、医学、环境等多个领域。电化学传感的应用原理是电极表面物质与被检测物质二者间的电子传递产生电信号，这对电极材料要求要具有高导电率和高活性位。新型二维纳米材料具有厚度薄、高导电性、丰富的表面活性位点等特点，所以其在电化学传感领域拥有极大潜能。

（2）光电抗氧化检测。人类为什么会生病呢？这就与人体内的氧化活性物质有关，现在人类疾病呈现复杂化的情况，寻找到检测食物中抗氧化剂含量的方法具有重大意义。新型光电抗氧化检测具有高效、简单、准确等特点，目前通过新型二维纳米材料用作光电检测材料，并通过实验成功的检测到茶水中抗氧化检测。

二维纳米材料能够实现光和电的一起反应，可有效检测出抗氧化剂含量。目前，光电化学催化剂由于它固有带隙不能适合全部的抗氧化剂，所以通过合理的易原子掺杂等方法来调控其能带是实现光电化学传感器响应快捷的核心。

3 新型二维纳米材料在电催化领域的应用

3.1 电催化析氧

电催化析氧简称OER，它是燃料电池、电解水等新型可持续能源体系中反应的核心。科学家在研究发现二氧化铱和氧化钌拥有良好的OER催化性能，但其弊端是价格昂贵限制了其发展，所以OER发展研究的方向就是研发高效、稳定的非金属基的催化剂。经过多年研究发现层状双金属氢氧化物（LDHs）具有大的层间比表面积、价格较低、制备方法简单等特点，其在OER中呈现出优良的性能。目前，研究发现NiFe-LDHs在OER中表现出了良好的稳定性和活跃性，但是NiFe-LDHs存在导电性较差而且容易聚集的特性，影响了活性位点的作用发挥，这就需要导电性更好的基底做支撑、硒化等，进而提高其催化活性。

二维LHDs和二维TMDs与贵金属基OER催化剂相比，具有成本低、合成方法简单等特点。现在过渡金属基催化剂在OER上的性能可与贵金属基催化剂相比美，其也将纳入高效的OER材料之列。还有其他的新型二维纳米材料也表现出高效的催化性能如MOF、CO3O4、Ni3N等材料。全电池电解水时，HER和OER必须在同一pH体系电解液中具有高催化活性，但是大部分HER催化剂仅能在酸性条件下呈现出高催化活性，但OER的高效催化剂在碱性条件下有效。所以，创新研究拥有更宽pH响应的高效HER、OER新型二维纳米材料催化剂是电池电水解的发展关键。

3.2 电催化析氢

氢气是一种清洁环保、可持续的能源载体，氢气自身具有极高的能量密度，它被世界公认为最具潜力替代传统燃料的选择之一。制氢的技術有很多种，其中电解水制氢（HER）技术是最受研究者关注的，因为该技术具有电解技术清洁环保、产出的氢质量好等优点。现在，最高效的电解水制氢的电催化剂是Pt基金属，但是由于Pt储备较少加上价格昂贵，大大的限制了Pt在HER的实际应用。基于此情况，迫使我们需要寻找到量大、价低、高效的电催化材料成为了HER发展的关键。现在非金属基的电催化剂中，原子层厚度的二维纳米材料能够暴露出更多的活性位点，其被广泛的应用到了HER研究中。经过多年研究发现，TMDs中MoS2具有与Pt基金属相近的氢键能而且价格较低，其目前成为HER研究较多的材料。虽然现在有很多新型二维纳米材料用于析氢放应，但是还没有发现一种适合替代贵金属催化剂，对HER可规模生产、环保节能、稳定性高、Ph响应范围宽的代替材料。

4 结语

新型二维纳米材料具有极高的比表面积、导电性能和优异的机械性能，已在多个领域内得到广泛应用实践，同时它也是电化学领域最理想的新型材料，目前对新型二维纳米材料在电化学领域的应用开展了大量的理论、实践研究，经过多年努力取得了显著效果，充分证明了新型二维纳米材料在电化学领域应用的无线前景，

参考文献

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