新兴二维材料在能量转换和储存方面的应用、机遇和挑战
新兴二维材料在能量转换和储存方面的应用、机遇和挑战
自石墨烯被发现后，二维（2D）材料作为一类新兴材料，引起研究人员的广泛关注。2D材料具有独特的物理化学性质和丰富的合成方法，总结其在能量转换和储存方面的应用、进展和挑战具有重要意义。
2D材料的分类
随着2D材料研究的不断深入，关于二维材料的合成方法、物化性质和应用逐渐被探索。如图2所示，本工作中主要介绍的二维材料包括：钙钛矿、金属、金属氧化物、MXenes、金属有机框架（MOFs）、共价有机框架（COFs）、硫属化合物、层状双金属氢氧化物（LDHs）、石墨化材料等。
图2 二维材料的分类
2D材料的合成方法
当前二维材料的合成方法主要分为自下而上和自上而下两种途径：自下而上的方法是基于范德华键、极性键、氢键或静电作用生成共价层内键和可逆键，主要包括气相沉积法（化学气相沉积（CVD）和物理气相沉积（PVD））和湿化学方法（模板法、溶剂热法、热压铸法、自组装法和界面调控法），制备方法如图3所示，该类方法主要用于合成2D MOFs和COFs，硫属化合物和金属配位聚合物等；自上而下的方法主要包括机械剥离和液相剥层法，该类方法可以控制2D材料的厚度和横向尺寸。
图3 二维材料自下而上的制备方法
2D材料的物理性质
在催化领域，2D材料展现出了多项优异的物理性质，包括较大的比表面积、高机械强度、良好的导电和导热性，以及容易调控的物理特性，这些特点显著提升了其催化性能。本工作中涉及的物理性质（图4）具体如下：（1）维度性质，研究发现2D材料的厚度和横向尺寸都会改变其相应的物理性质；（2）机械性质，2D材料优异的强度、韧性和刚度赋予了其优异的稳定性；（3）电学性质，多样化的原子组成为2D材料带来了多种不同的能带结构，使得其在作为导体、绝缘体以及半导体等方面均具有广泛应用；（4）热学性质，2D材料优越的导热性保证了催化反应的稳定进行；（5）物理性质的调控性，2D材料的物理性质能够通过吸附、替代、构成异质结以及施加外场等多种方式进行调控，进一步丰富了其应用场景。
图4 二维材料的物理性质
2D材料在能源领域的应用
基于上述2D材料独特的物理性质，本文总结了2D材料在电解水析氢反应（HER）、电解水析氧反应（OER）、电催化氧还原反应（ORR）、电催化CO2还原（ECR）、电催化N2还原（NRR）、以及相对应的光催化反应（如光催化分解水、光催化CO2还原、光催化N2还原等)最新研究进展及其适用条件。
总结与展望
2D材料作为一种新兴材料，在能源领域的应用方面存在诸多挑战。例如：1. 如何发展高通量分析单个2D材料的清晰表征方法？2. 如何实现2D材料的大规模制备？3. 如何将2D材料应用到未来新兴领域？4. 如何探索新2D材料以满足更多领域的应用需求？
本文内容来自The Innovation姊妹刊The Innovation Materials第2卷第1期以Review发表的"Emerging two-dimensional materials: Synthesis, physical properties, and application for catalysis in energy conversion and storage" (投稿: 2024-01-26；接收: 2024-03-17；在线刊出: 2024-03-19)。
DOI: https://doi.org/10.59717/j.xinn-mater.2024.100060
引用格式：Xu L., Iqbal R., Wang Y., et al., (2024). Emerging two-dimensional materials: Synthesis, physical properties, and application for catalysis in energy conversion and storage. The Innovation materials 2(1), 100060.